Почему сложно предсказать эволюционную судьбу нового признака

Принцип «выживания наиболее приспособленных» легко понять, но новое исследование объясняет, почему множественные факторы делают предсказание судьбы признака чрезвычайно сложным.

Улучшенные прогностические модели помогли бы не только лучше понять эволюцию, но и бороться с инфекционными заболеваниями, такими как грипп, Зика, ВИЧ и Эбола.

Основная проблема в том, что признак, обусловленный генным вариантом (аллелем), может быть полезен одно или несколько поколений, но стать бесполезным или вредным при изменении обстоятельств, — говорит старший автор Дэниел Вайнрайх из Университета Брауна. Однако большинство теоретических моделей популяционной генетики предполагают постоянство приспособленности.

«Мы описываем различные биологические контексты, в которых приспособленность аллеля может меняться на протяжении его "жизни" в популяции», — говорит Вайнрайх. По его мнению, контексты, где она постоянна, являются исключением, а не правилом.

Исследование, опубликованное в Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics, обобщает, что осложняет прогностические модели и как ученые пытаются добиться прогресса для общественного здравоохранения.

«Инфекционные заболевания испытывают постоянно меняющиеся давления отбора при распространении внутри и между хозяевами, а также при встрече с лекарствами и иммунными ответами», — говорит ведущий автор Кристофер Грейвс. Понимание эволюции в условиях переменного отбора повысит способность предсказывать лекарственную устойчивость и вспышки болезней.

Изменчивость приспособленности

Изменение среды — наиболее очевидный фактор. Рассмотрим популяцию сорняков на пустыре. Одни аллели могут давать преимущество на солнце, другие — в тени. Погодные условия и окружающая застройка могут меняться в разных временных и пространственных масштабах, что усложняет моделирование.

"Социальная" жизнь аллелей — ещё один фактор. Аллели, приводящие к «обману», эффективны, пока редки. Когда все начинают «обманывать», преимущество исчезает. В ответ могут эволюционировать «полицейские» механизмы, например, уничтожение яиц, отложенных рабочими насекомыми, или иммунный ответ против быстрорастущих раковых клеток.

Взаимодействие внутри линии также важно. Исследования Вайнрайха показали, что мутации фермента, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам у бактерий, могут быть полезны или бесполезны в зависимости от наличия других мутаций.

Дополнительные сложности

Скорость изменения обстоятельств — критический фактор. Если среда меняется быстрее, чем скорость размножения организма (например, ежедневная погода), влияние на репродуктивный успех невелико. Если изменения медленные (например, постройка здания, создающего тень на десятилетия), носители «солнечного» аллеля могут исчезнуть. Многие модели упускают возможность полного вымирания признаков.

Когда скорость изменения среды близка к скорости естественного отбора, математическое моделирование становится особенно сложным.

Пути к прогрессу

Для поиска решений популяционные генетики применяют новые подходы, объединяя усилия с экологией и эпидемиологией — областями, где моделирование динамических изменений является центральным.

Вайнрайх планирует глубже изучить сложности, возникающие из-за различных скоростей изменения социальных, генетических или экологических параметров.

«Пересечение экологических и эволюционных процессов — то, что во многих моделях упускалось, — это путь вперед, — заключает Вайнрайх. — Именно это необходимо для критического улучшения моделей».