Съвършено нов революционен поглед към природата: еволюцията може да бъде предсказуема

Учени са използвали изкуствен интелект, за да открият скритите закономерности в променящите се бактериални геноми.

Генетичните мутации възникват случайно, което прави еволюцията до голяма степен непредсказуема. Скорошни изследвания обаче показват, че това не е съвсем вярно.  Оказа се, че взаимодействията между гените играят по-голяма роля от очакваното при определянето на начина, по който се променя геномът.

Известно е, че някои части на генома са по-предразположени към мутации от други. Но новото изследване също така показва, че еволюционната история на даден вид може да повлияе на предсказуемостта на мутациите.

„Това изследване има революционни последици“, подчертава Джеймс Макинърни, еволюционен биолог от Университета в Нотингам.

„Показвайки, че еволюцията не е толкова случайна, колкото смятахме досега, ние отворихме вратата към редица възможности в областта на синтетичната биология, медицината и екологията“.

Биологът Алън Беван и колегите му от Университета в Нотингам са използвали мощен изкуствен интелект, за да изследват над 2000 пълни генома на бактерията Escherichia coli.

Бактериите са особено хитри, когато става въпрос за промяна на тяхната ДНК, тъй като умеят да присвояват гени от околната среда и да ги включват в своя геном. Този процес се нарича хоризонтален пренос на гени. Той дава на бактериите възможност бързо да получават нови свойства. Това може да бъде например антибиотична резистентност. При това без да се налага да чакат естествения подбор да действа в продължение на няколко поколения.

Интересно е, че хоризонтално пренесените гени, принадлежащи към една и съща основна група, могат да се окажат на различни позиции в бактериалния геном. Изследвайки хоризонтално пренесените гени на различни места, учените успяха да разберат по какъв начин околната среда им влияе.

Те успяха да проверят мисловния експеримент относно еволюцията на известния еволюционен биолог Стивън Дж. Гулд: ако повторите лентата на еволюционната история, всеки път ще получавате различен, непредвидим резултат. Това е така, защото еволюционните пътища зависят от непредвидими събития.

Ако това е вярно, тогава бактериалният геном би продължил да се развива на случаен принцип след придобиването на нов хоризонтален ген. Но изкуственият интелект е открил ясно изразени модели на предсказуемост сред хилядите „повторения на лентата“ след тези събития, свързани с придобиването на гени.

„Открихме, че някои генни фамилии никога не се появяват в генома, когато друга конкретна генна фамилия вече е налице, а в други случаи някои гени са много зависими от наличието на друга генна фамилия“, обяснява микробиологът от Университета в Нотингам Мария Роса Доминго-Сананс.

Следователно историята на генома, състояща се от това какви гени има в момента, може да определи какви гени ще има или няма да има в бъдеще. Намеци за това сме виждали и преди. Това са гени, които са разположени близо до молекулите на ДНК и се губят или се придобиват заедно. Тоест свързани гени. Но това се е случвало и с гени, които не са имали тясна физическа връзка в геномите на бактериите.

„Някои аспекти на еволюцията са детерминистични – т.е. те вероятно ще се случват всеки път, когато повтаряме лентата“, потвърждават Биван и колегите му в своя документ. „Наличието или отсъствието на даден ген е предвидимо само въз основа на други гени в генома. Така например хипотетичният ген А може да предвиди наличието на гена В само ако липсва ген С“.

Това не нарушава правилото за случайните мутации. По-скоро силите на естествения подбор действат и на молекулярно ниво. Това е нещо, което доскоро не можехме да забележим изцяло поради ограничената изчислителна мощ. Всъщност геномите сами по себе си са свои собствени микроскопични екосистеми. В тях гените могат при протичане на еволюцията да си помагат или пречат взаимно.

Така че, ако пренавием еволюционната лента на E. Coli назад, все пак всеки път ще виждаме различна еволюционна траектория, но ще има и стотици или хиляди предсказуеми събития, като при повторно гледане ще се появят съвсем ясни модели и закономерности.

„Въз основа на тази работа можем да започнем да изследваме кои гени „поддържат“ гена за антибиотична резистентност, например“, казва Беван.

„Така че, ако се опитваме да премахнем антибиотичната резистентност, можем да се насочим не само към целевия ген, но и към поддържащите го гени“.

Нека да си припомним, че 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.

Но това ново откритие, направено с помощта на изкуствен интелект, използващ мощни изчислителни ресурси, хвърля съвсем нова светлина върху хода на еволюцията. Тепърва предстои използването на тези идеи в медицината. Предстоят много нови изследвания, за да се открият и уточнят моделите, които се повтарят по време на еволюцията.