3D-симуляция показывает, как форма сложных органов эволюционирует под действием естественного отбора
Исследователи из Института биотехнологии Хельсинкского университета и Автономного университета Барселоны (UAB) создали первую трёхмерную симуляцию эволюции морфологии, интегрировав механизмы генетической регуляции, происходящие во время эмбрионального развития. Исследование, опубликованное в Nature, подчёркивает реальную сложность генетических взаимодействий, ведущих к фенотипам (физическим формам) взрослых организмов, и помогает объяснить, как естественный отбор влияет на форму тела.
"Сейчас у нас много информации о том, какие изменения в каких генах вызывают какие изменения формы. Но всё это лишь описательно. Задача — понять биологическую логику, которая определяет, какие изменения формы происходят от каких изменений генов", — объясняет Исаак Саласар, ведущий автор статьи.
В этой области практически невозможно ставить эксперименты из-за длительных временных масштабов эволюции. Это компенсируется использованием теоретических моделей для интеграции экспериментальных данных и создания виртуальной симуляции эволюции.
Исследователи использовали теоретическую модель, основанную на экспериментах по эмбриональному развитию, и три разные математические модели виртуальной эволюции формы под действием естественного отбора. Эволюция происходит виртуально в популяциях особей, где каждый индивид может мутировать свои гены. Через модель развития это приводит к новым морфологиям, а естественный отбор решает, какие перейдут в следующее поколение.
Симуляция позволила сравнить разные гипотезы в эволюционной биологии о том, какие аспекты морфологии эволюционируют легче всего:
- Все метрические аспекты формы вносят вклад в адаптацию и потому точно "настраиваются" эволюцией.
- Некоторые аспекты формы имеют большую адаптивную ценность, а остальные эволюционируют сопутствующим образом.
- Ни один аспект не является внутренне более важным; ключевое адаптивное значение имеет сложная мера "шероховатости" формы.
Результаты показали, что первая гипотеза невозможна, а вторая возможна в некоторых случаях. Даже если экология благоприятствовала бы такому отбору, эмбриональное развитие и связь между генетической и морфологической изменчивостью слишком сложны, чтобы каждый аспект морфологии мог быть точно "настроен".
"То, что мы видим, — это то, что естественный отбор постоянно моделирует формы тела, но они всё ещё далеки от совершенства во многих отношениях", — заключает Саласар.