Исследование биологов Пенсильванского университета теперь предоставляет доказательства правоты Гулда на молекулярном уровне: эволюция непредсказуема и необратима. Используя моделирование эволюционирующего белка, они показывают, что генетические мутации, принятые эволюцией, обычно зависят от мутаций, которые произошли раньше, а принятые мутации с течением времени все труднее обращать вспять.Исследовательская группа состояла из докторантов и со-ведущих авторов Премал Шаха и Дэвида М. МакКэндлиша и профессора Джошуа Б. Плоткина, все из факультета биологии Пенна в Школе искусств. Наук.
Они сообщили о своих выводах в Трудах Национальной академии наук.Исследование сосредоточено исключительно на типе эволюции, известном как очищающий отбор, который способствует мутациям, которые не имеют или имеют лишь незначительный эффект в фиксированной среде.
Это контрастирует с адаптацией, при которой мутации отбираются, если они повышают приспособленность организма к новой среде. Очищающий отбор является гораздо более распространенным типом отбора.«Это самый простой и скучный тип эволюции, который вы можете себе представить», — сказал Плоткин. «Очищающий отбор просто просит организм делать то, что он делает, и продолжать делать это хорошо».В качестве эволюционной модели команда Пенна использовала бактериальный белок argT, трехмерная структура которого известна.
Его небольшой размер означает, что исследователи могут надежно предсказать, как данная генетическая мутация повлияет на стабильность белка.Используя вычислительную модель, они смоделировали эволюцию белка в течение примерно 10 миллионов лет, случайным образом вводя мутации, принимая их, если они не оказывали существенного влияния на стабильность белка, и отвергая их, если они имели место. Затем они исследовали пары мутаций, спрашивая, была бы принята более поздняя мутация, если бы не была произведена более ранняя мутация.
«Те самые мутации, которые были приняты эволюцией, когда они были предложены, если бы они были предложены намного раньше, они были бы вредными и были бы отвергнуты», — сказал Плоткин.Этот результат — более поздние мутации зависели от более ранних — демонстрирует особенность, известную как случайность.
Другими словами, мутации, принятые эволюцией, зависят от предыдущих мутаций, чтобы улучшить их эффекты.Затем исследователи задали четкий, обратный вопрос: можно ли восстановить более раннюю мутацию и при этом сохранить стабильность белка. Они обнаружили, что ответ был отрицательным.
Мутации стали «укоренившимися», и с течением времени их было все труднее исправить, не оказывая дестабилизирующего воздействия на белок.«В каждый момент времени, если вы производите замену, вы не увидите больших изменений в стабилизации», — сказал Шах. «Но после определенного количества изменений в белке, если вы вернетесь и попытаетесь отменить более раннее изменение, структура белка начнет разрушаться».Хорошо известно, что концепции случайности и закрепления присутствуют в адаптивной эволюции, но для исследователей стало неожиданностью обнаружить их при очищающем отборе.
«Мы подумали, что просто попробуем это с очищающим отбором и посмотрим, что произошло, и были удивлены, увидев, сколько возникает непредвиденных обстоятельств и закреплений», — сказал Плоткин. «Это говорит нам о том, что в глубоком смысле эволюция непредсказуема и в некотором смысле необратима из-за взаимодействия между мутациями».Такие взаимодействия, когда эффект одной мутации зависит от другой, известны как эпистаз. Исследование исследователей неожиданно обнаружило, что очищающий отбор обогащает эпистатические мутации, а не просто аддитивные мутации.
Плоткин объяснил, что это связано с тем, что очищающий отбор благоприятствует мутациям, имеющим небольшой эффект. Либо мутация может иметь небольшой эффект сама по себе, либо она может иметь небольшой эффект, потому что другая, более ранняя мутация улучшила эффекты текущей мутации. Таким образом, будут предпочтительны мутации, зависящие от более ранних мутаций.«Наше исследование показывает, и это было известно давно, что большинство замен, которые происходят, являются заменами, имеющими небольшой эффект», — сказал МакКэндлиш. «Но что интересно, мы обнаруживаем, что замены, которые имеют небольшой эффект, со временем меняются».
Смысл этих открытий состоит в том, что предсказать ход эволюции, что можно было бы сделать, например, чтобы сделать обоснованное предположение о том, какой штамм гриппа может возникнуть в конкретный год, непросто.«То, как происходят эти замены, поскольку они сильно зависят от того, что происходило раньше, чрезвычайно затрудняет предсказание долгосрочной эволюции», — сказал Плоткин.Исследователи надеются в будущем сотрудничать с другими группами для проведения лабораторных экспериментов с микробами, чтобы подтвердить, что эволюция в реальном мире подтверждает их выводы.
И хотя комментарий Гулда о воспроизведении ленты жизни был в основном намеком на большое количество случайностей, присущих пути эволюции, это исследование предлагает более тонкую причину, по которой воспроизведение могло бы выглядеть иначе.«По сути, в эволюции существует огромное количество непредвиденных обстоятельств», — сказал Плоткин. «Какие бы мутации ни произошли в первую очередь, подготовьте почву для того, какие другие более поздние мутации допустимы. В самом деле, история направляет эволюцию по определенному пути.
Знаменитая лента о жизни Гулда, если ее воспроизвести, будет совсем другой, даже более другой, чем мог бы представить Гулд».