Нейтральная теория молекулярной эволюции, предложенная в 1960-х годах, утверждала, что большинство закрепившихся генетических мутаций нейтральны — они не приносят ни пользы, ни вреда. Плохие мутации быстро отсеиваются отбором, а хорошие настолько редки, что основная масса изменений остается нейтральной. Но команда эволюционного биолога Цзяньчжи Чжана обнаружила, что полезных мутаций возникает намного больше — более 1% от всех мутаций, что на порядки превышает оценку допустимую нейтральной теорией. Работа опубликована в Nature Ecology and Evolution.
Возможно, полезных мутаций гораздо больше, но они не успевают закрепиться
Ученые из Мичиганского университета опровергли давнюю нейтральную теорию молекулярной эволюции. Исследование показало, что полезных мутаций гораздо больше, чем предполагалось, но они не закрепляются в популяциях из-за постоянных изменений среды. Результат эволюции нейтрален, но сам процесс — нет.
ДНК. Public Domain
Глубокое мутационное сканирование — метод, позволяющий одновременно изучать эффекты тысяч мутаций в гене. Ученые создают библиотеку вариантов одного гена со всеми возможными изменениями, встраивают их в организмы и измеряют, как каждая мутация влияет на рост или выживаемость. Метод особенно эффективен для одноклеточных организмов, например, дрожжей и бактерий, где можно быстро проследить множество поколений. Но для многоклеточных организмов, включая человека, такой подход технически очень сложен.
ДНК.
Исследователи изучили данные глубокого мутационного сканирования дрожжей и кишечной палочки, создавая множество мутаций и отслеживая организмы на протяжении поколений. Оказалось, что при таком количестве полезных мутаций более 99% должны закрепляться отбором, а скорость эволюции генов — намного выше наблюдаемой в природе.
Парадокс полезных мутаций
Мутация. Иллюстрация.
Разгадка парадокса пришла из экспериментов с дрожжами. Одна группа эволюционировала в постоянной среде 800 поколений, вторая — в меняющейся, проходя через 10 разных питательных сред по 80 поколений в каждой. Во второй группе полезных закреплений оказалось значительно меньше. «Хотя мы наблюдаем много полезных мутаций в данной среде, у них нет шанса закрепиться, потому что когда их частота возрастает до определенного уровня, среда меняется», — объясняет Чжан.
Мутации, полезные в одной среде, становятся вредными в другой. Популяции постоянно «догоняют» меняющуюся среду, никогда не достигая полной адаптации.