Эволюция по ошибке
Чарльз Дарвин построил свою принципиально новую теорию естественного отбора на понимании того, что генетические изменения организмов являются ключевыми факторами эволюции. Эволюция дает возможность формам жизни адаптироваться к окружающей среде. Биологи надеются понять, как механизмы эволюции могут помочь земной жизни выжить за пределами нашей планеты. На фото роза, выращенная в искусственно созданных марсианских условиях в экспериментальной научной лаборатории в Лондоне.
Некоторые индивидуумы лучше адаптированы к определенной среде, чем другие, что дает им больше шансов выжить и передать свои гены будущим поколениям. Но сам природный механизм создания изменчивости все еще представляет собой загадку для биологов-дарвинистов.
Джоанна Масель, адьюнкт-профессор департамента экологии и эволюционной биологии Университета Аризоны, и научный сотрудник Этьен Район выяснили, как организмы решают ошибки, которые случаются, когда расшифровывающийся в их клетках генетический код значительно влияет на способность адаптироваться к новым условиям окружающей среды – другими словами, их способность эволюционировать.
«Эволюции необходима площадка для испытаний, - объясняет Масель. – Это как в конкурентном бизнесе: новые продукты и идеи следует сначала испытать, чтобы увидеть, способны ли они решить проблему».
В природе случается, что новые характерные черты, которые, к примеру, дают возможность носителям осваивать новую среду обитания, появляются по причине грубой погрешности – ошибки, допущенной клетками, в результате которой у белков появляются полностью новые свойства или функции, даже если с самим геном все в порядке. Спустя некоторое время одна из таких ошибок случается и с геном и становится более постоянной.
«Если бы механизмы, расшифровывающие генетическую информацию, были абсолютно безупречны, организмы оставались бы все время неизменными и неспособными адаптироваться к новым ситуациям или изменениям окружающей среды», - подчеркивает Масель, которая также является членом Института БИО5 Университета Аризоны.
По мнению Масель и Район, живые существа имеют два способа избежания опасностей, созданных ошибками. Первым является избежание самих ошибок, например, путем использования механизма их быстрого выявления и исправления. Авторы называют его глобальным решением, так как оно не является специфичным для какой-то определенной ошибки и позволяет наблюдать целостный процесс.
Альтернатива – позволить ошибкам случаться, однако развить устойчивость к последствиям каждой из них. Масель и Район называют эту теорию локальным решением, потому как в отсутствие глобального механизма исправления ошибок организму необходимо быстро приспосабливаться к каждой появляющейся ошибке.
«Мы обнаружили, что необычайно малые популяции будут применять глобальное решение, в то время как очень большие популяции используют локальное решение, говорит Масель. – Наиболее правильно сформированные популяции могут пойти по любому пути, но будут тяготеть к одному из них. Если они раз взяли какое-то направление развития, маловероятно, что они его сменят даже в течение эволюционного времени».
Используя имеющуюся информацию о дрожжевых грибах – популярном модельном организме для основных биологических исследований, - Масель и Район сформировали математическую модель и провели компьютерное моделирование генетического изменения популяции.
Избежание или исправление ошибок обходится дорого, отмечают исследователи. Если бы было иначе, организмы развили бы почти безошибочную точность при переводе генетической информации в белки. Вместо этого есть компромиссное решение между ценой сохранения белков без погрешностей и риском допустить потенциально вредоносные ошибки.
В предыдущих публикациях группа Масель представила идею изменений внутри популяции, производящих «многообещающих и безнадежных монстров» - организмы с генетическими изменениями, последствия которых могут быть либо безвредными, либо смертельными, но редко между этими состояниями.
В этом исследовании Масель и Район отмечают, что природные изменчивости происходят в двух вариантах: обычная изменчивость, которая является вредоносной в большинстве случаев, так как вероятность генетической мутации, ведущей к чему-то полезному, крайне незначительна, а также так называемая скрытая изменчивость, которая, скорее всего, окажется безвредной.
Механизм скрытой изменчивости
Итак, каков же механизм скрытой изменчивости и почему она так важна для понимания эволюции?
Позволяя случаться некоторому количеству ошибок вместо ликвидации их с помощью механизма исправления, организмы получают преимущество использования того, что Масель называет предварительным отбором: он предоставляет возможность естественному отбору влиять на последовательности еще до того, как произойдет мутация.
«Есть доказательства того, что скрытая нуклеотидная последовательность гена все же переводится в белок, - объясняет Масель, – по крайней мере, случайно. При этом если мы представим белок с измененной аминокислотной последовательностью, что не дает ему свернуться и становится результатом его накапливания внутри клетки, это может оказаться очень токсичным для организма».
По словам Масель, в таком случае неправильной сворачиваемости белка отбор будет проходить в пользу мутаций, которые не позволят такой генетической последовательности перейти в белок, или в пользу последовательностей, в которых есть изменение. Таким образом, даже если этот белок появился случайно, измененная последовательность будет безвредной.
«Предварительный отбор приводит эту скрытую изменчивость в состояние готовности, - говорит Масель. – Считается, что локальные решения как естественный отбор проходят тайно, искореняя изменчивости, которые могут стать катастрофическими, и поддерживая те, которые лишь немного плохи или даже безвредны».
Что бы ни осталось после этого процесса предварительного отбора, все к лучшему, подчеркнула она. Таким образом, популяции, полагающиеся на эту стратегию, имеют больше возможности эволюционировать в ответ на новые требования. При слишком частом исправлении ошибок такой предварительный отбор не может случиться.
В соответствии с исследованием Масель, изучение того, как природа создает изменения, помогает понять также и человеческое общество.
«Мы выяснили, что биология имеет разумное решение. Она дает начало многим идеям, но только в скрытой форме, и в это время отсеивает самые плохие их них, – говорит Масель. – Это необычайно действенная и удачная стратегия. Я думаю, компании, правительства, экономика в целом могут поучиться у природы способствовать развитию инноваций, изучив механизм реализации биологических нововведений».
Источник: Terradaily
Комментарии:
Экология это
