Существует скоростной лимит для эволюции, утверждают биологи

Исследователи из Университета Пенсильвании разработали теоретическую модель, которая определяет, как быстро организм будет эволюционировать, используя каталог «эволюционных скоростных лимитов». Модель даёт количественные предсказания для скорости эволюции на различных «ландшафтах приспособленности» — динамичных и разнообразных условиях, в которых адаптируются бактерии, вирусы и даже люди.

Ключевой вывод работы: для некоторых организмов, возможно, включая людей, продолжение эволюции не будет означать бесконечного роста приспособленности. Более того, популяция может накапливать мутации с постоянной скоростью — паттерн, долго считавшийся признаком «нейтральной» или недарвиновской эволюции, — даже когда мутации подвергаются дарвиновскому отбору.

Хотя качественные аспекты теории эволюции известны, о том, как или как быстро это происходит, известно мало. Информация об эволюции между последовательными поколениями труднодоступна, и это непонимание имеет практические последствия. Например, эпидемиологам было бы проще готовить целевые вакцины или бороться с лекарственной устойчивостью, если бы они понимали скоростные лимиты эволюции вирусов и бактерий, таких как грипп и M. tuberculosis.

Исследователи представили теорию о том, как приспособленность популяции будет увеличиваться со временем, для 14 типов базовых ландшафтов или «скоростных лимитов», описывающих последствия доступных генетических мутаций. Эти категории определяют скорость и паттерн эволюции, предсказывая, как общая приспособленность популяции и количество накопленных полезных мутаций будут расти со временем.

Учёные сравнили теорию с данными двадцатилетнего исследования E. coli. Организмы такой простоты и размера размножаются быстрее крупных видов, что дало 40 000 поколений данных для изучения.

«Мы задались вопросом, количественно, как приспособленность популяции будет увеличиваться со временем по мере накопления полезных мутаций», — сказал руководитель исследования Джошуа Б. Плоткин.

«Это была попытка создать теоретическую основу для изучения скоростей молекулярной эволюции», — сказал первый автор Сергей Кряжимский. — «Мы применили эту теорию, чтобы вывести базовый ландшафт приспособленности бактерий, используя данные долгосрочного эксперимента».

В некоторых теоретически возможных ландшафтах ожидается, что уровень приспособленности будет расти экспоненциально вечно из-за неисчерпаемого запаса полезных мутаций. Но в более реалистичных ландшафтах скорость адаптивных замен (мутаций, улучшающих приспособленность организма) со временем теряет импульс, что приводит к сублинейному росту приспособленности. В некоторых из этих ландшафтов приспособленность в итоге выходит на плато, и организм перестаёт адаптироваться, хотя мутации могут продолжать накапливаться.

Например, у E. coli наблюдалось увеличение скорости клеточного деления примерно на 40% в течение 40 000 поколений. Изначально приспособленность бактерий росла быстро, но в итоге вышла на плато. Эти данные позволили команде сделать вывод, что ранние мутации, хотя и давали большой полезный эффект, также уменьшали полезный эффект последующих мутаций.

Согласно исследованию, траектории приспособленности популяции и замен (мутаций, приобретённых для достижения более высокой приспособленности) зависят не от полного распределения эффектов приспособленности доступных мутаций, а от ожидаемой вероятности фиксации и ожидаемого приращения приспособленности мутаций. Это математическое наблюдение сильно упрощает возможные траектории эволюции до 14 различных категорий.

Исследователи показали, что линейные траектории замен, означающие постоянную скорость накопления мутаций, могут возникать даже когда мутации сильно полезны. Результаты дают основу для понимания динамики адаптации и для выведения свойств ландшафта приспособленности организма из долгосрочных экспериментальных данных. Применение этих методов к данным бактериальных экспериментов позволило охарактеризовать эволюционные взаимосвязи среди полезных мутаций в геноме E. coli.

Исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.