Как получается, что организмы так хорошо приспосабливаются к изменениям окружающей среды? Этот вопрос давно интересует учёных, но однозначного ответа на него до сих пор не было. Новое исследование предполагает, что сама эволюция — это процесс, который тоже может эволюционировать.
Жизнь сумела освоить даже самые экстремальные условия, включая места, где экологическая обстановка стремительно меняется. Возьмём, к примеру, микроорганизмы: как они так быстро развивают устойчивость к антибиотикам? Или вирусы, такие как SARS-CoV-2 и птичий грипп (H5N1), — они поразительно быстро адаптируются к изменениям в иммунных системах своих хозяев.
«Жизнь невероятно эффективно решает проблемы. Если оглянуться вокруг, можно увидеть огромное разнообразие форм жизни, и тот факт, что всё это произошло от одного предка, кажется удивительным», — говорит ведущий автор исследования, эволюционный биолог Луис Заман (Luis Zaman), доцент Мичиганского университета.
«Почему эволюция так креативна? Возможно, способность к эволюции — это тоже результат эволюционного процесса.»
Изучение так называемой «эволюционной способности» организмов — непростая задача, ведь её трудно измерить. Например, эволюция происходит благодаря мутациям, которые со временем повышают приспособленность вида к окружающей среде. Однако эволюционная способность — это не просто выживаемость в текущих условиях, а потенциал вида к адаптации в будущем.
«Эта направленность в будущее делает понятие эволюционной способности спорным, — добавляет Заман. — Мы знаем, что это происходит, но не до конца понимаем, когда и почему. Поэтому мы решили проверить: можем ли мы наблюдать эволюцию самой эволюционной способности на более реалистичной компьютерной модели?»
Компьютерный эксперимент
Чтобы проверить свою гипотезу, Заман и его коллеги создали с помощью программы Avida компьютерную модель. В этой модели были заложены три «полезные» и три «токсичные» логические функции. Это можно представить как два вида ягод — красные и синие, одни из которых съедобны, а другие ядовиты в зависимости от условий среды. В одном сценарии красные ягоды полезны, а синие опасны, но в другом — всё наоборот. В результате популяция организмов не может быть приспособлена к обеим средам одновременно, а только к одной.
Исследователи протестировали разные сценарии:
- В одном случае условия оставались неизменными, и популяция адаптировалась только к одному виду ягод.
- В другом случае среда циклически менялась, вынуждая популяцию приспосабливаться то к красным, то к синим ягодам.
Во втором сценарии организмы научились «переключаться» между разными условиями, что привело к заметному увеличению мутаций. Эти мутации позволяли быстрее адаптироваться к изменяющейся среде.
Когда изменения среды становились регулярными, программы в Avida начинали перестраивать свои «мутационные районы» — своеобразные генетические пути, состоящие из кода. При каждом изменении среды этот путь приходилось настраивать заново, чтобы выжить.
«Эти мутационные районы представляют собой такие места в эволюционном пространстве, где даже небольшие мутации позволяют легко переключаться между разными условиями», — поясняет Заман.
Таким образом, мутации в модели были аналогичны изменениям в ДНК живых организмов, а программы научились «жить» в виртуальном мире, где соседствовали «специалисты» по разным видам ягод.
Влияние времени на эволюционную способность
Учёные также проверили, как на эволюционную способность влияет скорость смены условий. Они меняли частоту циклов — от одной смены за одно поколение до смены раз в 10 или даже 100 поколений. Интересно, что при слишком частых изменениях среды эволюционная способность не увеличивалась. Однако даже при достаточно длительных циклах, охватывающих сотни поколений, эволюция не только происходила, но и закреплялась, позволяя популяции сохранять способность к адаптации.
«Как только популяция достигла высокой эволюционной способности, она не исчезала даже при дальнейшем развитии», — отметил Заман.
Это означает, что если эволюция развивает способность эволюционировать, то эта способность, скорее всего, закрепляется надолго.
Исследование было опубликовано в журнале PNAS.
