Gyvenimo atsiradimo ir vystymosi paslaptis atskleidžiama kompiuterinių modelių dėka
Evoliucija vyksta labai lėtai, todėl laboratoriniai stebėjimai ar eksperimentai čia beveik neįmanomi. Mičigano universiteto evoliucionistai, naudodamiesi evoliucijos treniruokliu, nusprendė išspręsti šią problemą ir išsiaiškinti pastebėto gyvio išvaizdos ir formos sudėtingumo priežastis. Apie šį tyrimą kalba „Lenta.ru“.
Evoliucijos biologai vis dar domisi biologinių organizmų sudėtingumu ir tuo, kokį vaidmenį tame vaidina skirtingi evoliuciniai mechanizmai. Vienas iš šių mechanizmų yra natūrali atranka, dėl kurios plinta nauji genų variantai (aleliai), prisidedantys prie atskirų nešėjų išlikimo. Tai gali paaiškinti gyvų organizmų sudėtingumą, nors ir ne visada. Kartais natūrali atranka užkerta kelią pokyčiams išsaugodama tai, ką gyvūnas jau turi. Šiuo atveju kalbama apie natūralios atrankos stabilizavimą.
Eksperimentiškai įrodyta, kad natūrali atranka iš tiesų yra viena iš pagrindinių evoliucinių pokyčių priežasčių, įskaitant naujų adaptacinių bruožų plitimą populiacijoje. Pavyzdžiui, amerikiečių biologas Richardas Lenskis surengė ilgalaikį Escherichia coli evoliucijos eksperimentą. Eksperimentas prasidėjo 1988 m. Ir tęsiasi iki šiol. Mokslininkai stebėjo 60 tūkstančių E. coli kartų pasikeitimą ir nustatė, kad bakterijos, anksčiau negalėjusios maitintis natrio citratu, įgijo šį gebėjimą dėl kelių genų mutacijų. Tai suteikė jiems evoliucinį pranašumą tarp bakterijų, augusių daug citratų turinčioje terpėje.
Kitas evoliucijos veiksnys yra populiacijos dydis. Kuo mažesnė populiacija, tuo stipresnis atsitiktinių procesų poveikis. Pavyzdžiui, gaivalinė nelaimė gali sukelti visų naujų alelių turinčių asmenų mirtį, o natūralioji atranka nebegalės su jais dirbti. Tai vadinama genų dreifu, ir kaskart mažėjant gyvūnų (mažiau nei 104 individų) populiacijai, dreifas didėja, silpninant selekcijos įtaką.
Molekulinėje evoliucijoje, kuri tiria evoliucijos mechanizmus genų ir jų alelių lygmenyje, genetinio autostopo ir dreifo vaidmuo yra gerai žinomas. Daugelis mutacijų, lemiančių naujų genų alelių atsiradimą, išlieka neutralios. Tai yra, naujo bruožo arba neatsiranda, ir gyvūnas išoriškai nesikeičia, arba naujas bruožas jokiu būdu neturi įtakos asmens tinkamumui. Neutralios mutacijos, taigi ir požymio, geno plitimas yra atsitiktinis (geno dreifas). Galimas ir kitas variantas. Neprisitaikantys mechanizmai prisideda prie neutralių mutacijų kaupimosi populiacijoje, o tai vėliau gali sukelti adaptacinių bruožų atsiradimą.
Genų dreifo iliustracija: kiekvieną kartą atsitiktinis raudonų ir mėlynų kamuoliukų skaičius perkeliamas iš stiklainio į stiklainį, todėl tos pačios spalvos kamuoliukai „laimi“.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Vaizdas: Vikipedija
Gyvūnų populiacija, kurioje plinta nauji aleliai, yra labai svarbus sudėtingumui vystytis. Tai priklauso nuo to, kaip stipriai veikia natūrali atranka ar genų dreifas. Sudėtingumas gali išsivystyti dėl to, kad didelėje populiacijoje atsiranda daugybė naudingų mutacijų, kurias palaiko natūrali atranka. Kuo didesnė populiacija, tuo daugiau tokių mutacijų. Arba didelėse populiacijose susidaro daugybė besikaupiančių neutralių mutacijų, iš kurių tik keletas yra atsakingos už kai kuriuos išorinius bruožus. Šios savybės padidina organizmo sudėtingumą.
Kartais evoliucija patenka į tam tikrą aklavietę. Paradoksalu, bet kartais reikalingos neigiamos mutacijos. Įsivaizduokite būtybę, kuri geriausiai tinka jos aplinkai. Tarkime, tai jūrų gyvūnas, turintis racionalų kūną ir optimalaus dydžio pelekus. Bet kokie pokyčiai grasina sutrikdyti pusiausvyrą ir kūnas praras savo tobulumą. Pavyzdžiui, padidėję pelekai taps našta, gyvūnas pralaimės savo bičiuliams, o natūrali atranka neapšvies tokio pokyčio. Tačiau jei kils baisi audra ir dauguma „tobulų“individų mirs, tada bus pradėtas genetinis dreifas. Tai leis įsitvirtinti ne tik ydingiems didelių pelekų genams, bet ir atvers erdvę tolesnei evoliucijai. Žmonės gali arba atgauti optimalius pelekus laikui bėgant, arba kompensuoti jų praradimą kitomis naudingomis savybėmis.
Gyventojai, užlipę ant evoliucinio kraštovaizdžio „kalvos“, tampa lengviau pritaikomi, o kalvos viršūnė atitinka evoliucijos „aklavietę“.
Paveikslėlis: Randy Olson / Wikipedia
Norint visa tai stebėti, reikia labai ilgų laiko tarpų. Biologinius eksperimentus, pagrindžiančius evoliucijos teorijas, įgyvendinti yra ypač sunku. Net Lenskio eksperimentas su E. coli, kurio greita kartos kaita ir mažas genomo dydis, užtruko beveik 30 metų. Norėdami įveikti šį apribojimą, evoliucionistai savo tyrimuose naudojo dirbtinį gyvenimo modeliuoklį „Avida“, kuris buvo paskelbtas kaip pranešimas spaudai svetainėje Arxiv.org. Tikslas buvo ištirti, kaip populiacijos dydis veikia genomo dydį ir visų individo bruožų (fenotipo) visumą. Paprastumo dėlei biologai paėmė nelytinių organizmų populiaciją ir stebėjo „evoliuciją veikiant“.
„Avida“yra dirbtinis gyvenimo treniruoklis, naudojamas evoliucinės biologijos tyrimams. Jis sukuria besivystančią sistemą, kuri savaime atkartoja (daugina) kompiuterines programas, galinčias mutuoti ir vystytis. Šie skaitmeniniai organizmai turi genomo analogą - instrukcijų ciklą, leidžiantį jiems atlikti bet kokius veiksmus, įskaitant reprodukciją. Vykdydama tam tikras instrukcijas, programa gali pati nukopijuoti. Organizmai konkuruoja tarpusavyje dėl riboto ištekliaus: kompiuterio procesoriaus laiko.
Aplinkoje, kurioje gyvena ir dauginasi skaitmeniniai organizmai, yra ribotas ląstelių skaičius programoms talpinti. Kai programos užima visą erdvę, naujos kartos pakeičia senas programas iš atsitiktinių langelių, nepaisant jų konkurencingumo. Taigi pasiekiamas skaitmeninis genų dreifo analogas. Be to, skaitmeniniai organizmai žūva, jei nesugeba sėkmingai daugintis po tam tikro nurodymų ciklų skaičiaus.
„Avida“pasaulio vaizdas su skaitmeniniais organizmais, kurių kiekvienas yra savaime besikartojanti programa
Paveikslėlis: Elizabeth Ostrowsky / Ostrowsky laboratorija
Norint, kad programa vykdytų instrukcijas, reikia išteklių. Šis „Avida“šaltinis yra SIP vienetas (vienas komandų apdorojimo įrenginys), leidžiantis vykdyti tik vieną komandą. Iš viso kiekvienas organizmas gali turėti vienodą SIP vienetų skaičių, tačiau kiekviename cikle resursas pasiskirsto netolygiai tarp programų - tai priklauso nuo skaitmeninių organizmų savybių (fenotipo analogo). Jei kuris nors organizmas pasižymi geresnėmis savybėmis nei kitas, tada jis gauna daugiau SIP vienetų ir sugeba įvykdyti daugiau nurodymų per vieną ciklą nei mažiau sėkmingas kolega. Atitinkamai jis dauginasi greičiau.
Skaitmeninio organizmo fenotipą sudaro jo „skaitmeninės apykaitos“ypatybės, kurios suteikia (arba neleidžia) atlikti tam tikrų loginių skaičiavimų. Šios savybės yra skolingos „genams“, kurie užtikrina teisingą nurodymų seką. „Avida“patikrina, kaip kūnas teisingai atlieka operacijas, ir suteikia jai išteklių pagal kodo kiekį, kurio prireikė vykdant instrukcijas. Tačiau kopijuojant kodą gali atsirasti klaidų - įterpti nereikalingus fragmentus arba ištrinti (ištrinti) esamus. Šios mutacijos pakeičia gebėjimą skaičiuoti geriau ar blogiau, intarpai padidina genomą, o ištrynimai mažėja.
Skaitmeninės populiacijos yra patogus tyrimo objektas. Žinoma, nebus įmanoma patikrinti hipotezių, susijusių su genų, epigenetinių ir kitų molekulinių bei biocheminių veiksnių įtaka evoliucijai. Tačiau jie gerai modeliuoja natūralią atranką, dreifą ir mutacijų plitimą.
Mokslininkai stebėjo įvairaus dydžio skaitmeninių populiacijų, nuo 10 iki 10 tūkstančių individų, evoliuciją kiekvienoje per 250 tūkstančių kartų. Eksperimento metu išgyveno ne visos populiacijos, dauguma grupių iš 10 asmenų mirė. Todėl mokslininkai imitavo papildomų mažų 12–90 asmenų populiacijų raidą, norėdami sužinoti, kaip išnykimo tikimybė yra susijusi su sudėtingumo raida. Paaiškėjo, kad išnykimas įvyko dėl to, kad mažose populiacijose susikaupė žalingų mutacijų, dėl kurių atsirado negyvybingų palikuonių.
Mokslininkai ištyrė, kaip eksperimento metu keitėsi genomo dydis. Kiekvienos populiacijos „gyvenimo“pradžioje genomas buvo palyginti mažas, įskaitant 50 skirtingų nurodymų. Mažiausios ir didžiausios „organizmų“grupės eksperimento pabaigoje įgijo didžiausius genomus, o vidutinio dydžio populiacijos sumažino savo genomus.
Apskritai rezultatai parodė, kad labai mažos populiacijos yra linkusios išnykti. To priežastis gali būti „Möller ratchet“- negrįžtamo kenksmingų mutacijų kaupimosi organizmų, negalinčių lytiškai daugintis, populiacijose procesas. Šiek tiek didesnės populiacijos gali netikėtai padidinti genomų dydį dėl lengvų neigiamų mutacijų, kurios „atstato“organizmus nuo optimalių prisitaikymų. Savo ruožtu padidėjus genomų dydžiui, atsirado naujų fenotipinių bruožų ir komplikavosi skaitmeninio organizmo „išvaizda“.
Didelės populiacijos taip pat padidina genomo dydį ir fenotipinį sudėtingumą, tačiau taip yra dėl retų naudingų mutacijų. Šiuo atveju natūrali atranka veikia skatindama tokių pokyčių plitimą. Taip pat yra dar vienas komplikacijos būdas: per dvigubas mutacijas, kurių viena yra neutrali ir nesuteikia jokių pranašumų, o antroji suteikia pirmajam funkcionalumą. Vidutinio dydžio populiacijos turi padidinti genomų dydį, kad išsivystytų sudėtingumas, tačiau naudingos mutacijos jose nėra tokios dažnos, tuo tarpu stipri atranka pašalina daugumą adaptyvių genų pokyčių, o dreifas išlieka per silpnas. Todėl šios populiacijos atsilieka nuo mažų ir didelių populiacijų.
Evoliucinis simuliatorius siūlo idealų populiacijos modelį ir ne visiškai apibūdina tai, kas vyksta realybėje. Norint išsamiau suprasti adaptyvių ir neprisitaikančių mechanizmų vaidmenį vystant gyvųjų organizmų sudėtingumą, reikia atlikti tolesnius tyrimus.
Aleksandras Enikejevas