Эволюционная игра в камень-ножницы-бумагу

Если B лучше A, а C лучше B, то по свойству транзитивности C должен быть лучше A. Однако это не всегда так. Классическая игра «Камень-ножницы-бумага» — это воплощение нетранзитивности, где нет чёткой иерархии между тремя вариантами, несмотря на явного победителя в каждой парной схватке.

Эволюция также может быть полна нетранзитивных взаимодействий. Хотя естественный отбор можно наблюдать на коротких промежутках времени, остаётся вопрос: накапливаются ли преимущества в приспособленности (fitness) на длительных эволюционных масштабах? Ожидалось, что последовательные адаптивные события приведут к кумулятивному росту приспособленности, делая каждое новое поколение более приспособленным, чем все его предки. Но это оказалось не всегда верно.

Эволюционный процесс включает нетранзитивные взаимодействия, иногда производя организмы, менее приспособленные, чем их далёкие предки. Однако экспериментальных доказательств такой нетранзитивности не хватало.

Группа учёных из Университета Лихай под руководством доцента Грегори Лэнга впервые предоставила эмпирические доказательства нетранзитивности эволюции. В эксперименте с дрожжами, длившемся 1000 поколений, клон, эволюционировавший в конце, превзошёл своего недавнего предка, но проиграл в прямой конкуренции с далёким предком.

Нетранзитивность в этом случае возникла в результате многоуровневого отбора (multilevel selection), который затронул адаптивные изменения как в ядерном геноме дрожжей, так и в геноме внутриклеточного РНК-вируса. Результаты, показывающие, что непрерывное действие отбора может порождать организмы, менее приспособленные по сравнению с далёким предком, опубликованы в журнале eLife в статье "Adaptive evolution of nontransitive fitness in yeast".

Разрушение двух заблуждений об эволюции

1. Эволюция — это не линейный «марш прогресса», где каждый последующий организм в линии потомков приспособлен лучше всех предыдущих.
2. Отбор действует не на одном уровне. Многоуровневый отбор означает, что отбор может действовать одновременно на разных уровнях биологической организации — от генов внутри клетки до особей в популяции.

В эксперименте дрожжи изначально производили вирусный токсин и были к нему иммунны. По мере адаптации в популяции закрепились полезные мутации в ядерном геноме, а также мутации в популяции внутриклеточного вируса, которые привели к потере производства токсина. Со временем закрепились более полезные ядерные мутации, а отбор в вирусной популяции привёл к потере иммунитета к токсину (так как токсин больше не производился). В конкуренции с далёким предком эволюционировавшая за 1000 поколений популяция проиграла из-за токсина, производимого предком.

Широкие последствия открытия

«Когда мы расширили наше исследование эволюции геномов хозяина и вируса на другие популяции, мы обнаружили, что почти половина из примерно 140 изученных популяций испытала многоуровневый отбор, закрепив адаптивные мутации как в ядерном, так и в вирусных геномах», — отмечает Грегори Лэнг.

Это исследование разрешает то, что эволюционный биолог Стивен Джей Гулд называл «парадоксом первого уровня» — неспособность выявить общие закономерности прогресса на длительных эволюционных масштабах, несмотря на явные свидетельства действия отбора на последовательных коротких интервалах.

Работа ставит под сомнение существование истинных максимумов приспособленности (fitness maxima) и подразумевает, что направленность и прогресс в эволюции могут быть иллюзорными.