Теория эволюции предполагает, что мутации, повышающие выживаемость и репродуктивный успех, быстро распространяются в популяции. Но за этим простым утверждением скрывается намного более сложная картина, отмечает Wired. В природе полезный генетический вариант может исчезнуть из-за случайного несчастного случая или особенностей популяционной структуры.
Это касается не только живых организмов, но и их клеток. Например, раковые клетки проходят жесткий процесс естественного отбора. Немногие выжившие после терапии передают свои гены следующим поколениям, и болезнь возвращается. Победить рак можно, остановив его эволюцию, но сделать этого мы пока не можем.
Мартин Новак, биолог из Гарвардского университета, заинтересовался эволюционной динамикой именно при изучении рака. Чтобы лучше понять, как демография и популяционная структура влияют на естественный отбор, он обратился к теории графов. Графы используются в математике, чтобы оценить динамические взаимодействия между наборами элементов. Сами элементы располагаются в вершинах графов, а отношения между ними описываются с помощью соединяющих их линий (ребер).
В эволюционной биологии вершины графов символизируют отдельные организмы. Каждый из них может дать потомство, которое заменит особь с другой вершины. Однако велик риск самому быть замененным кем-то из следующего поколения. Эти вероятности вносятся в структуру графа в качестве «весов» и линий между вершинами.
Граф может отражать различные характеристики популяции: например, если какие-то вершины связаны с общей структурой слабой связью, это говорит о вероятности миграции.
Графически изображая разные популяции, Новак смог тщательно изучить, что ждет особей с полезной мутацией в каждой из них. В статье 2005 года ученый с коллегами показал, как особенности демографической структуры влияют на эволюцию. Например, популяции со «взрывной» или «направленной» структурой не дают полезным мутациям распространяться, гася действие естественного отбора.
Напротив, структура, названная «звездой», благоприятствует эволюции, усиливая эффект естественного отбора и позволяя полезным мутациям быстро распространяться. Ученые назвали эту структуру «усилителем». «Суперзвезда» еще лучше: она гарантирует успех даже самым незначительным полезным мутациям.
Однако в природе такие «усилители», судя по всему, встречаются очень редко. Биологи были озадачены. Их выводы гласили, что естественный отбор может идти только в необычных обстоятельствах, что противоречит всем имеющимся данным об эволюции в живой природе.
За решение проблемы взялся австрийский ученый индийского происхождения Кришненду Чаттерджи. Он долго работал с графами и теорией вероятности и решил применить свой опыт на благо эволюционной биологии. Вместе с учениками он занялся поиском «усилителей» естественного отбора.
Оказалось, что ключ к решению проблемы заключается в «весе» связей между графами. В случае, если он распределен нужным образом, даже самая простая популяционная структура превращается в «усилитель» эволюции. Таким образом, быстрое распространение полезных эволюционных новшеств возможно в любой природной популяции.
Выводы биологов и математиков однозначно указывают, что популяционная структура является одним из ключевых факторов эволюции. Популяции, для которых характерна «взрывная» структура, представляют собой эволюционные тупики, где даже у самой полезной мутации не будет шанса распространиться. Другие популяции более благоприятны для эволюции.
К сожалению, все изученные популяционные модели применимы только к бесполым организмам, например, бактериям. Если добавить в расчеты рекомбинацию генов, которая характерна для полового размножения, и выбор партнера, модели станут дьявольски сложными. Они и сейчас очень сложны: например, чтобы обосновать реальность структуры типа «суперзвезда», потребовалась научная статья с сотнями страниц высшей математики.
Исследователи отмечают, что необходимо также учесть потенциал популяции к росту или сокращению. Не менее важную роль играет скорость распространения мутаций. Структуры-«усилители» гарантируют, что новшество в конечном счете появится у каждой особи, однако это может быть очень медленный процесс. В других популяциях низкую эффективность распространения мутаций может компенсировать ее высокая скорость, что обеспечит эволюционный выигрыш. Согласно ряду исследований, два этих фактора всегда действуют друг против друга.
Несмотря на оговорки, работы Новака, Чаттерджи и их коллег остается очень полезной. Они не только проливают свет на фундаментальные эволюционные механизмы, но и имеет практическое применение. Например, регулируя структуры популяции, можно гарантировать распространение полезных генетических вариантов в культуре клеток. Возможно, новые исследования также прольют свет на работу иммунитета: ученые предполагают, что популяция иммунных клеток должна иметь структуру, усиливающую естественный отбор.
Новые исследования показывают, что даже радикальные эволюционные перемены могут быть относительно простыми. Например, это касается появления многоклеточных организмов. По мнению ученых, у наших одноклеточных предков уже были почти все необходимые для этого гены. Чтобы выйти на новый уровень, потребовалось лишь отрегулировать их работу.
