От какво зависи процесът на еволюцията и може ли той да бъде ускорен?

Генетиката е сложно нещо. Всички живи същества на нашата планета са своеобразни „машини за трансфер на гени и оцеляване“, както се изразява английският биолог Ричард Докинс в книгата си „Егоистичният ген„. Трудно е да не се съгласим с това твърдение, тъй като гените се предават от родител на потомство, като постепенно се променят и трансформират в резултат на малки „грешки“ при копирането си. Тези грешки или мутации понякога водят до нови полезни (а понякога и не толкова полезни) черти.

Въпреки това именно видът на мутациите, които се унаследяват, е от решаващо значение за разбирането на начина, по който видовете еволюират. До неотдавна процентът на мутациите беше известен само за малка група видове. Тази ситуация обаче се промени с публикуването на резултатите от мащабно проучване на 68 различни вида гръбначни животни, вариращи от гущери и пингвини до хора и китове.

Научната работа даде възможност за първото широкомащабно сравнение на скоростта на мутациите на видовете, което е първата стъпка към разбирането на това колко бързо могат да еволюират те.

Естественият подбор

Теорията за естествения подбор е публикувана за първи път през 1859 г. и е резултат от усилената работа на Чарлз Дарвин и неговия колега Алфред Ръсел Уолъс. В онези години повечето учени са считали, че организмите са твърде сложни, за да имат естествен произход, и следователно са резултат от божествено сътворение. Но според еволюционната теория дори най-сложните организми възникват в резултат на напълно естествени процеси.

Естественият подбор е еволюционен механизъм. Организмите, които са по-приспособени към околната среда, е по-вероятно да оцелеят и да наследят гените, които са допринесли за техния успех. Този процес води до промяна и дивергенция на видовете с течение на времето.

В хода на естествения подбор генетичните мутации, които са полезни за оцеляването на даден индивид, се предават на следващите поколения, като увеличават шансовете им да оцелеят и да оставят потомство. Различните условия и фактори на околната среда играят огромна роля за еволюцията на видовете.

За разбирането на Дарвин за сложния процес на еволюцията например е помогнал един вид финки, живеещи на Галапагоските острови. Работейки върху теорията за естествения подбор, британският естествоизпитател забелязва, че различните видове финки имат различно оформени човки за боравене с определени видове храна. Той стига до заключението, че всички те са еволюирали от общ прародител.

Друго доказателство за триумфа на естествения подбор е дългата шия на жирафа, която позволява на тези удивителни животни да се хранят с листа, които другите не могат да достигнат, и да получат конкурентно предимство. По-добрият източник на храна е позволил на тези с по-дълги шии да оцелеят, да се размножават и по този начин да предадат тази черта на следващото поколение.

Известно е също, че съвременните хора дължат съществуването си на редица по-ранни, вече изчезнали видове, като Homo neanderthalensis, чиито черепи са подобни, но не съвсем идентични с тези на Homo sapiens. Вкаменелостите на нашите далечни предци позволяват на археолозите да разберат как точно са еволюирали, като търсят промени в различните характеристики, като например размера на мозъка, формата на черепа и размера на челюстите.

Кои и какви фактори допринасят за еволюцията?

Резултатите от мащабен анализ, публикуван наскоро в Nature, са първата стъпка към разбирането на скоростта, с която тези видове са еволюирали. Анализът включва 68 различни вида гръбначни животни, включително пингвини, китове, гущери и хора. Работата е дала възможност на учените да илюстрират как може да се променя скоростта на мутациите и какво точно определя тази скорост.

Сега, разполагайки с огромен набор от данни, биолозите вече могат да определят ключовите характеристики, които влияят върху честотата на мутациите и скоростта на еволюцията. Трябва да се отбележи, че факторите, които определят честотата и скоростта на мутациите, сами по себе си са обект на естествен подбор.

Ето какво пише за това водещият автор на новото проучване Люси Бержерон: „Зародишната мутация, както и всеки друг признак, е обект на естествен подбор.

Въпреки че технологията за секвениране на генома съществува от дълго време, никой досега не е извършвал широкомащабно сравнение на честотата на мутациите в различни видове. Поради тази причина Бержерон и нейните колеги започват да събират кръвни и тъканни проби от „семейни тройки“ – майка, баща и едно от техните потомства – от зоологически градини, ферми, изследователски институти и музеи по целия свят. След това те сравняват ДНК на родителите и потомството от всяка тройка, за да определят генетичните различия между поколенията.

Ако мутацията е открита в около 50% от ДНК на потомството, тя най-вероятно е зародишна, т.е. наследена чрез яйцеклетката на майката или спермата на бащата. По-рядко срещаните мутации, според учените, възникват спонтанно в тъкани извън зародишната линия и следователно не са толкова важни за еволюцията, тъй като не се унаследяват.

В крайна сметка изследователите са се сдобили със 151 използваеми тройки от различни видове, включително косатки, тексаски гекони, сиамски риби и хора. Сравнявайки честотата на мутациите на избраните видове с това, което е известно за тяхното поведение и характеристики, изследователите са разгледали статистическия показател за всеки вид (ефективен размер на популацията), който приблизително съответства на това колко индивида са необходими, за да се представи генетичното разнообразие.

Най-изненадващото откритие от получените данни е широкият диапазон на честотата на зародишните мутации. Когато биолозите измерили колко често се появяват мутации във всяко поколение, те установили, че видовете се различават само около 40 пъти, което според Бержерон изглеждало доста незначително в сравнение с разликите в размера на тялото, продължителността на живота и други признаци.

Въпреки това честотата на мутациите за година, а не за поколение, е нараснала около 120 пъти, което е много повече, отколкото предполагаха предишните проучвания. Авторите на тази научна работа стигат до извода, че колкото по-голям е средният ефективен размер на популацията на даден вид, толкова по-ниска е честотата на мутациите в нея.

От какво зависи честотата на генетичните мутации?

Заключенията, до които достигат авторите на анализа, са в съответствие с хипотезата за „бариерата на дрейфа“, представена от генетика Майкъл Линч, който е привърженик на геномната архитектура на еволюцията, основана на ефектите от размера на популациите в различните линии.

Хипотезата за бариерата на дрейфа гласи, че „естественият подбор безмилостно се опитва да намали честотата на мутациите, тъй като повечето мутации са вредни. Но при видовете с по-малък ефективен размер на популацията естественият подбор е отслабен, защото генетичният дрейф – ефектът на чистата случайност върху разпространението на мутацията – става по-силен, което дава възможност за увеличаване честотата на мутациите„.

Получените резултати подкрепят и друга идея от научната литература – хипотезата за еволюция, стимулирана от мъжете. Според нея мъжете могат да допринесат повече за еволюцията на някои видове мутации, отколкото жените. Бержерон и колегите ѝ установили, че честотата на зародишните мутации има тенденция да е по-висока при самците, отколкото при самките – като минимум при бозайниците и птиците, но не и при влечугите и рибите.

Авторите на този научен анализ отбелязват една възможна причина за тези разлики: тъй като мъжките индивиди от всички видове постоянно копират своята ДНК, за да произвеждат сперматозоиди, те са изправени пред безкрайни възможности за възникване на мутации.

„Женските риби и влечуги също снасят яйца през целия си живот, така че са изложени на подобен риск от генетични грешки. Но женските бозайници и птици всъщност се раждат с всички яйца, които някога ще произведат, така че техните зародишни линии са по-защитени“, се казва в представената миналата седмица научна работа.

Учените са установили, че най-големият ефект е свързан със средната възраст, на която даден вид се размножава: честотата на мутациите зависи от възрастта на родителите – колкото по-възрастни са те, толкова повече са мутациите.

Интересно е, че при някои гръбначни животни основните фактори за мутация са възрастта и броят на потомството. И това – противно на очакванията – учените не са открили никакъв ефект, свързан с размера на тялото. За пояснение: съществува отдавнашна хипотеза, според която съществата с по-големи размери на тялото би трябвало да имат повече мутации, тъй като имат повече клетки и следователно повече възможности механизмът за копиране на ДНК да допуска грешки.

Какво следва?

Резултатите от новото изследване са трудни за оценяване, тъй като те ще помогнат да се дадат отговори на бъдещи въпроси за това кои движещи сили на еволюцията определят честотата на мутациите и следователно самата еволюция. Освен това анализът подсказва колко голямо е биоразнообразието в природата.

Можете ли да си представите какви промени ще настъпят в науката, ако учените най-накрая успеят да ускорят еволюцията на някои видове, включително и на нас с вас? Разбира се, това повдига много етични въпроси, но по-доброто разбиране на такъв сложен и многостранен процес като естественият подбор ни дава по-дълбоко разбиране за света около нас и за самите нас.

Новото изследване има нещо общо с представената наскоро „Теория на сглобяването“ (assembly theory). Според учените ключът към обяснението на феномена живот от гледна точка на съвременната физика може да се окаже необходимостта от преосмисляне на понятието за време. За пореден път, понеже то е било многократно преосмисляно в историята на науката. Еволюцията на живота също се нуждае от понятието за време, твърди международен екип от биофизици.

Според тази идея безкрайното развитие може да протича само там, където времето съществува и се движи в определена посока. Еволюцията е единственият познат на науката физически процес, който поражда поредица от нови обекти, които считаме за живи: бактерии, бозайници, дървета и т.н.