Сотни исследований естественного отбора могут быть ошибочными, демонстрирует исследование

Учёные из Университета Пенсильвании и Национального института генетики в Японии показали, что несколько широко используемых в биологии статистических методов для обнаружения естественного отбора на молекулярном уровне часто дают неверные результаты. «Наше открытие означает, что сотни опубликованных исследований о естественном отборе могли сделать неверные выводы», — заявил Масатоши Неи, профессор биологии и руководитель группы. Результаты будут опубликованы в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences и позже в печатном издании.

По словам Неи, многие учёные, изучающие эволюцию человека, использовали в своих работах ошибочные статистические методы, что могло привести к неверным выводам. Например, в одном исследовании с помощью статистического метода была продемонстрирована повсеместность естественного отбора в ходе эволюции человека. «Эта группа задокументировала адаптивную эволюцию во многих генах, экспрессирующихся в мозге, щитовидной железе и плаценте, которые считаются важными для эволюции человека, — сказал Масафуми Нодзава, соавтор работы. — Но если используемый ими статистический метод ненадёжен, то и их результаты могут быть ненадёжными».

Команда проанализировала branch-site метод и несколько типов site-prediction методов, часто используемых для статистического анализа естественного отбора. Branch-site метод позволяет определить, происходил ли отбор в конкретном гене, а site-prediction метод — предсказать точное место в гене, где он действовал.

«Оба метода очень популярны среди биологов, поскольку, кажется, дают ценные результаты о том, какие гены подверглись отбору, — сказал Неи. — Но ни один из них, по-видимому, не даёт точной картины происходящего».

Неи давно подозревал, что эти методы ошибочны. «Методы предполагают, что при действии отбора число нуклеотидных замен, ведущих к изменению аминокислот, значительно выше числа синонимичных замен. Но это предположение может быть неверным. На самом деле большинство аминокислотных замен не ведёт к функциональным изменениям, а адаптивное изменение белка часто происходит за счёт редкой аминокислотной замены. По этой причине статистические методы могут давать ошибочные выводы». Также методы неточны, когда наблюдаемое число нуклеотидных замен мало.

Чтобы продемонстрировать ошибочность методов, команда использовала данные коллеги из Университета Эмори Сёдзо Йокоямы о генах, контролирующих способность рыб видеть свет на разной глубине, и о генах цветового зрения у животных. Они сравнили статистически предсказанные сайты отбора с определёнными экспериментально. Оказалось, что статистические методы редко предсказывали реальные сайты естественного отбора, выявленные Йокоямой в экспериментах. «В некоторых случаях статистический метод полностью не смог идентифицировать истинные сайты, где происходил отбор», — сказал Неи.

Чтобы показать, как малый размер выборки ведёт к ошибкам, команда использовала компьютерное моделирование эволюции генов у трёх приматов: человека, шимпанзе и макак. Учёные воспроизвели процедуры авторов статьи 2007 года, которые применили branch-site метод к 14 000 ортологичных генов и обнаружили отбор в 32 генах. Команда Неи также изучила отбор с помощью точного критерия Фишера, но этот тест не выявил никакого отбора. «Результаты показывают, что число произошедших нуклеотидных замен было слишком мало для обнаружения отбора; следовательно, все 32 случая, полученные branch-site методом, должны быть ложноположительными», — сказал Нодзава.

«Эти статистические методы заставили многих учёных поверить, что естественный отбор действовал на гораздо больше генов у человека, чем у шимпанзе, и они заключили, что это причина развития у человека большого мозга и других морфологических различий, — сказал Неи. — Но я считаю, что эти учёные ошибаются. Число генов, подвергшихся отбору, должно быть почти одинаковым у человека и шимпанзе. Различия, делающие нас людьми, скорее всего, связаны с мутациями, которые были благоприятны в конкретной среде, куда мы переместились, и которые затем накапливались со временем».

Для получения более реалистичной картины естественного отбора биологам следует, по возможности, сочетать экспериментальные данные со статистическими. Учёные обычно не используют экспериментальные данные, поскольку такие эксперименты трудно проводить и они очень трудоёмки.