Как наистина работи естественият подбор: учените обясняват защо полезните мутации не винаги се утвърждават

Вече повече от половин век науката за живота е доминирана от концепция, която на пръв поглед изглежда парадоксална. Според неутралната теория за молекулярната еволюция, създадена от японския генетик Мотоо Кимура в края на 60-те години на миналия век, естественият подбор има слабо влияние върху промените в нашата ДНК на химично ниво. Теорията твърди, че огромната част от мутациите, които се фиксират в гените по време на еволюцията и отличават един вид от друг, са неутрални. Те не носят нито полза, нито вреда на организма, а се разпространяват в популацията поради чиста случайност – процес, който учените наричат генетичен дрейф.

В основата на тази теория стои убеждението, че полезните мутации са изключително редки. Логиката е, че ако един жив организъм вече е добре адаптиран към околната среда, то всяка случайна промяна в добре смазания му организъм вероятно или ще наруши системите, или ще остане незабелязана. Полезната промяна се смяташе за най-рядкото изключение от правилото.

Само че скорошно проучване на генетици от Мичиганския университет, публикувано в Nature Ecology & Evolution, опровергава това предположение. Експериментите показват, че полезните мутации се срещат много по-често, отколкото учените са предполагали. Това откритие поставя предизвикателен въпрос пред науката: ако има толкова много полезни промени, защо геномите на живите същества все още изглеждат така, сякаш са еволюирали чрез случайни процеси?

Същността на научното противоречие

За да оценят действителната честота на полезните мутации, изследователите са провели подробен анализ на ДНК на микроорганизмите. Те са изследвали 12 267 точкови мутации в 24 гена при бактерии и дрожди. Всяка от тези промени е довела до замяна на една аминокиселина в структурата на протеините, които кодират тези гени.

Резултатите от анализа се оказаха съвсем неочаквани: повече от 1% от всички изследвани мутации последователно увеличаваха преживяемостта на клетките. За законите на генетиката един процент е огромно количество.

Математическите модели показват, че ако поне една от сто мутации е полезна за организма, естественият подбор би трябвало да действа с висока ефективност. При такива условия полезните промени би трябвало да се разпространяват бързо и да изместват старите генни варианти. В мащабите на милиони години това би довело до факта, че почти всички протеинови различия между различните видове живи същества биха били имали адаптивен характер. Това означава, че геномите би трябвало да отразяват историята на едно непрекъснато усъвършенстване.

Данните от сравнителните анализи на геномите на реалните видове обаче показват точно обратното. Промените в ДНК се натрупват с относително постоянна скорост, което е характерно за един случаен, неутрален процес. Науката се сблъска с парадокс: полезните мутации в реално време се откриват в голям брой, но в исторически план ДНК упорито крие следите от тяхната работа.

Двете противоположни сили: времето и променливостта на околната среда

За да разрешат това противоречие, изследователите разработват нов теоретичен модел, който наричат адаптивно проследяване с антагонистична плейотропия. Зад сложния термин се крие просто физиологично правило: в природата няма абсолютно добри или абсолютно лоши мутации. Полезността на всяка промяна винаги зависи от конкретните външни условия.

Ефектът, че една и съща промяна е полезна в една ситуация, но вредна в друга, е широко разпространен. Например мутация, която помага на даден едноклетъчен организъм да усвоява определен вид захар, може да забави растежа му, ако тази захар изчезне от околната среда и бъде заменена от друг източник на храна.

Вторият най-важен фактор е времето, което е необходимо на мутацията да се закрепи. Когато в дадена популация се появи индивид с нова полезна мутация, тази мутация не се превръща веднага в стандарт за целия вид. Необходимо е време, за да може промяната да се разпространи сред всички индивиди в популацията.

Математическите изчисления показват, че дори една мутация да увеличи шансовете на организма за оцеляване с 1%, необходими са няколко хиляди поколения, за да се утвърди напълно в голямата популация. Но в реалния свят външните условия се променят много по-бързо. Промените в температурата, влажността, новите конкуренти и болестите се случват на всеки няколко десетки поколения.

По какъв начин природата прикрива адаптацията

Ако комбинираме фактора променливост на околната среда и времето на фиксиране на гените, механизмът на маскиране на еволюцията става ясен:

1. Появата на мутация: в популацията се появява мутация, която е полезна в настоящата среда. Организмът получава предимство и честотата на тази мутация в популацията започва да се увеличава.
2. Промяна на условията: след няколко десетки поколения средата се променя. Мутацията, която е помогнала за оцеляването, сега намалява шансовете за успех.
3. Отстраняване от популацията: естественият подбор започва да действа в обратна посока. Вместо да разпространява мутацията, той започва да отстранява нейните носители. Мутацията изчезва, преди да е успяла да се наложи пълноценно в целия вид.

Неутралните мутации се държат по различен начин. Тъй като те не влияят на оцеляването, промените във времето или състава на храната не засягат тяхната съдба. Те не извличат полза, но и не са ощетени от колебанията в околната среда. Поради своята безвредност те се предават бавно и непрекъснато от поколение на поколение. С течение на времето, по чиста случайност, някои от тях се разпространяват сред цялата популация.

Крайният резултат е ситуация, при която популацията непрекъснато се адаптира към настоящите условия „тук и сега“, като променя съотношението на гените във всяко поколение. Но веднага щом средата се промени, тези промени се заличават от селекцията. Единствените промени, които се фиксират в историята на даден вид за милиони години, са неутралните процеси. Цялата упорита работа по приспособяването към променящия се свят отива на бунището, оставяйки в генома само следи от случаен дрейф.

Експерименталното потвърждение

За да докажат валидността на този модел без теоретични предположения, биолозите провеждат мащабен експеримент с популации от дрожди. Те отгледали 1320 независими семейства микроорганизми от общ прародител и ги разделили на две групи.

Първата група дрожди в продължение на 800 поколения била държана в стабилна химическа среда, чийто състав никога не се променял. Втората група била поставена в нестабилни условия: на всеки 80 поколения химическият състав на хранителната среда бил насилствено променян до една от десетте алтернативи.

В края на експеримента учените напълно разкодирали геномите на оцелелите дрожди. Резултатите съвпаднали с прогнозите на модела:

• В стабилната среда дрождите успешно фиксират множество полезни мутации. В тяхната ДНК ясно се виждали признаци на насочен естествен подбор.
• В променливата среда дрождите също оцелели и се адаптирали, но делът на регистрираните полезни мутации бил изключително нисък. Честите промени в средата просто не давали време на полезните мутации да се закрепят в популацията. На генетично ниво тези дрожди изглеждат така, сякаш еволюцията им е напълно случайна.

Влиянието върху адаптацията на хората и дивата природа

Новата концепция означава, че нито един вид в природата не е идеално адаптиран към своята среда. Популациите винаги са в състояние на догонване: те носят генетични черти, които са им помогнали да оцелеят вчера, но утре може да не са ефективни. Най-разпространеният генетичен вариант в дадена популация не е непременно най-добрият вариант за настоящия момент, а само този, който е оцелял най-добре при последните промени в околната среда.

Този принцип пряко важи и за човешкото здраве. Много тежки хронични заболявания се причиняват от генетични варианти, които са били изключително полезни за нашите предци. В условията на нередовно хранене и постоянна физическа активност способността на организма да съхранява максимално енергията под формата на мазнини е спасявала живота.

Условията на живот на човечеството обаче са се променили твърде бързо според еволюционните стандарти. Местообитанието и начинът на хранене се промениха само за няколко века, докато за фиксирането или премахването на гените от популацията са необходими хиляди години. Гените, които са помагали за оцеляването в древността, не са имали време да изчезнат и в съвременните условия на ситост са станали причина за метаболитни нарушения.

Геномът на всяко живо същество е архив от компромиси. Постоянният темп на мутациите и привидната случайност на промените в нашата ДНК са само следствие от факта, че живата природа трябва постоянно да променя настройките си, за да се приспособи към променящия се свят, заличавайки следите от предишните победи в името на оцеляването в настоящето.