Деценијама су многи еволуциони биолози веровали да је већина генетских промена које обликују гене и протеине неутрална. Према овом гледишту, мутације обично нису ни корисне ни штетне, дозвољавајући им да се тихо шире без да буду снажно фаворизоване или одбачене природном селекцијом.
Нова студија са Универзитета у Мичигену оспорава ту дугогодишњу претпоставку и сугерише да еволуција може да функционише сасвим другачије него што се мислило.
Преиспитивање неутралне теорије еволуције
Како се врсте развијају, настају насумичне генетске мутације. Неке од ових мутација постају фиксне, што значи да се шире све док сваки појединац у популацији не носи промену. Неутрална теорија молекуларне еволуције тврди да је већина мутација које досегну ову фазу неутрална. Штетне мутације се брзо елиминишу, док се претпоставља да су корисне изузетно ретке, објашњава еволуциони биолог Јианзхи Зханг.
Зханг и његове колеге су кренули да тестирају да ли се ова идеја држи када се детаљније испита. Њихови резултати указали су на велики проблем. Истраживачи су открили да се корисне мутације јављају много чешће него што неутрална теорија дозвољава. У исто време, приметили су да је укупна стопа по којој се мутације фиксирају у популацијама много нижа него што би се очекивало да је завладало толико корисних мутација.
Зашто корисне мутације често не трају
Да би објаснио ову контрадикцију, тим је предложио ново објашњење укорењено у промени животне средине. Мутација која даје предност у једном окружењу може постати штетна када се услови промене. Пошто се окружења често мењају, многе корисне мутације се никада не шире довољно широко да би постале фиксне.
Студија, коју су подржали амерички национални институти за здравље, објављена је у Екологија и еволуција природе.
„Ми кажемо да је исход био неутралан, али процес није био неутралан“, рекао је Зханг, професор екологије и еволуционе биологије на УМ. „Наш модел сугерише да природне популације нису заиста прилагођене свом окружењу јер се окружење веома брзо мења, а популације увек јуре околину.
Зханг овај оквир назива Адаптиве Трацкинг витх Антагонистиц Плеиотропи. Идеја помаже да се објасни зашто се организми ретко савршено уклапају у своје окружење.
Шта ово значи за људе и друге врсте
Зханг верује да налази имају широке импликације, укључујући и људе. Модерна окружења се драматично разликују од оних у којима су наши преци искусили, што може помоћи да се објасни зашто нам одређене генетске особине више не служе као некада.
„Мислим да ово има широке импликације. На пример, људи. Наше окружење се толико променило, а наши гени можда нису најбољи за данашње окружење јер смо прошли кроз многа друга различита окружења. Неке мутације могу бити корисне у нашим старим срединама, али нису у складу са данашњим“, рекао је Џанг.
Додао је да колико је добро становништво прилагођено зависи од тога колико се недавно променило његово окружење.
„У било ком тренутку када посматрате природну популацију, у зависности од тога када је окружење последњи пут дошло до великих промена, популација може бити веома лоше прилагођена или може бити релативно добро прилагођена. Али вероватно никада нећемо видети ниједну популацију која је у потпуности прилагођена свом окружењу, јер би потпуна адаптација трајала дуже него што скоро свако природно окружење може да остане константно.“
Како су научници проучавали корисне мутације
Неутрална теорија молекуларне еволуције уведена је 1960-их, када је напредак у секвенцирању протеина и гена омогућио научницима да проучавају еволуцију на молекуларном нивоу, а не да се фокусирају само на физичке особине попут облика и структуре.
Да би измерили колико често се јављају корисне мутације, Зханг и његов тим анализирали су велике скупове података за дубоко мутационо скенирање које су генерисали њихова сопствена лабораторија и други. У овим експериментима, истраживачи су намерно створили много различитих мутација унутар једног гена или дела генома у организмима као што су квасац и Е. цоли.
Затим су пратили ове организме током многих генерација и упоређивали њихов раст са дивљим типом, или најчешћим обликом који се налази у природи. Мерењем разлика у расту, истраживачи су могли да процене да ли мутација помаже или штети организму.
Резултати су показали да је више од 1% мутација било корисно. Ова стопа је далеко већа од онога што предвиђа Неутрална теорија. Када би све те корисне мутације постале фиксиране, скоро све генетске промене би биле корисне и еволуција би се одвијала много брже него што научници заправо примећују. Та спознаја навела је тим да доведе у питање претпоставку да окружења остају константна током времена.
Тестирање еволуције у променљивим окружењима
Да би истражили ефекте промена животне средине, истраживачи су проучавали две групе квасца. Једна група је еволуирала у стабилном окружењу током 800 генерација (свака генерација је трајала 3 сата). Друга група је еволуирала за исти број генерација, али у променљивом окружењу састављеном од 10 различитих типова медија или решења за раст. Сваки медијум је коришћен 80 генерација пре преласка на следећу.
Квасац изложен променљивим условима показао је много мање корисних мутација које се успостављају од оних у стабилном окружењу. Чак и када су се појавиле корисне мутације, оне су ретко трајале довољно дуго да се шире пре него што се услови поново промене.
„Овде долази недоследност. Док посматрамо много корисних мутација у датом окружењу, те корисне мутације немају шансе да се поправе јер како се њихова учесталост повећава на одређени ниво, окружење се мења“, рекао је Зханг. „Те корисне мутације у старом окружењу могу постати штетне у новом окружењу.“
Ограничења и следећи кораци
Зханг је упозорио да се студија фокусирала на квасац и Е. цоли, једноћелијске организме код којих је ефекте мутација лакше измерити. Биће потребни подаци из вишећелијских организама да би се утврдило да ли се исти обрасци примењују на сложенији живот, укључујући људе.
Истраживачки тим сада планира накнадне студије како би боље разумео зашто је организмима потребно толико времена да се у потпуности прилагоде чак и када услови животне средине остану стабилни.
Други аутори студије су бивши дипломирани студенти УМ Силианг Сонг и Ксуканг Схен и бивши постдокторски истраживач УМ Пиаопиао Цхен.
