Нова революционна теория за еволюцията. Полезните мутации са повече

Нови изследвания показват, че полезните мутации са често срещани, но рядко се фиксират, защото променящата се среда кара видовете да се стремят към промяна.

В продължение на повече от половин век много биолози се опират на неутралната теория за молекулярната еволюция, за да обяснят как ДНК и протеините се променят с течение на времето. Идеята произлиза от ранни изследвания през 60-те години на миналия век, когато учените започват да секвенират протеини, а по-късно и гени, като изместват вниманието от външните черти към самия генетичен код. Моделът предполага, че повечето мутации, които се фиксират в дадена популация, не са нито полезни, нито вредни. Вредните бързо се филтрират, а полезните са толкова редки, че на теория почти всички дългосрочни генетични промени изглеждат неутрални.

Ново проучване от Университета на Мичиган рисува по-сложна картина. То показва, че полезните мутации са много по-често срещани от очакваното, но много малко от тях се разпространяват в популацията. Вижда се резултат, който изглежда неутрален, въпреки че основният процес съвсем не е такъв.

Работата, публикувана в Nature Ecology and Evolution и подкрепена от Националните здравни институти, въвежда нова представа за това как живите същества реагират на свят, който никога не спира да се променя.

Емпиричните ефекти на приспособимост (DFE - Distribution of Fitness Effects) на несинонимичните мутации (генни мутации, които водят до промяна в аминокиселинната последователност на протеините) опровергават неутралната теория за функционалните гени. Кредит: Nature Ecology & Evolution

По-внимателен поглед върху това какво всъщност правят мутациите

Изследователският екип, ръководен от еволюционния биолог Дзиенджъ Джан (Jianzhi Zhang), използва дълбоко мутационно сканиране, за да измери как новите промени в аминокиселините влияят върху годността на дрождите и бактериите. Този метод позволява на учените да променят ген по хиляди начини и да тестват как всяка промяна влияе върху растежа в продължение на много поколения. Чрез сравняване на мутиралите щамове с нормалните, екипът може да прецени кои мутации са вредни, неутрални или полезни.

В гените от дрожди и E. coli, повече от един процент от всички тествани промени в аминокиселините са подобрили физическата годност. Това може да изглежда малко на пръв поглед, но е с порядъци по-високо от това, което позволява неутралната теория. Ако тези мутации са се случили в стабилна среда, повече от 99 процента от всички дългосрочни генетични промени би трябвало да са адаптивни. В действителност, дългосрочните данни от природата не показват такава бърза адаптивна еволюция. Явно нещо липсва.

Защо постоянната среда ни отклонява от пътя

Екипът осъзнава, че повечето по-ранни модели са приемали, че средата остава една и съща за дълги периоди от време. Но реалните условия не предлагат такава стабилност. Температурата, хранителните вещества, хищниците и безброй други фактори на напрежение се променят по начини, които популациите не могат да предвидят напълно. Мутация, която помага в една ситуация, може да навреди в следващата.

Групата на Джан тества тази идея с мащабен експеримент с дрожди. Една група популации е растяла в една и съща среда в продължение на 800 поколения. Друга група е преминала през десет различни среди, всяка в продължение на 80 поколения, за същото общо време. Разликата е била поразителна. В стабилната среда са се натрупвали полезни мутации. В променящата се среда са се натрупвали много по-малко, въпреки че все пак са се появявали полезни мутации. Те просто не са имали време да се разпространят, преди следващата промяна в средата да обърне ефектите им.

"Оттук идва несъответствието", обяснява Джан. "Въпреки че наблюдаваме много полезни мутации в дадена среда, тези полезни мутации нямат шанс да бъдат коригирани, защото с увеличаването на честотата им до определено ниво, средата се променя."

Как работи адаптивното проследяване

Екипът нарича тази идея "адаптивно проследяване с антагонистична плейотропия". Антагонистична плейотропия означава, че една-единствена мутация може да има противоположни ефекти при различни условия. На практика това означава, че мутация, която увеличава физическата подготовка един ден, може да я намали на следващия.

При адаптивно проследяване, популациите винаги се опитват да настигнат заобикалящата ги среда. Някои полезни мутации се увеличават в изобилие за известно време, но малко оцеляват достатъчно дълго, за да се разпространят в цялата популация. Вместо това много се прочистват, когато средата отново се промени. Мутациите, които са почти неутрални при повечето условия, дори и леко вредни, е по-вероятно да преминат към фиксация, защото рядко стават силно вредни.

"Казваме, че резултатът е бил неутрален, но процесът не е бил неутрален", посочва Джан. "Нашият модел предполага, че естествените популации не са наистина адаптирани към средата си, защото средата се променя много бързо и популациите винаги следват средата."

Това постоянно преследване помага да се обясни защо функционалните гени често еволюират със скорост, подобна на тази на нефункционалната ДНК. Въпреки че селекцията работи усилено в кратки времеви мащаби, дългосрочният модел може да изглежда тих и стабилен, почти като молекулярен часовник.

Какво разкриват симулациите

За да проверят доколко добре адаптивното проследяване обяснява дългосрочните еволюционни модели, екипът провежда големи компютърни симулации. Те сравняват четири сценария: псевдогени, класически неутрален модел, адаптация към постоянна среда и адаптивно проследяване с променящи се условия.

При стабилна адаптация, полезните мутации бързо доминират и дългосрочната промяна е силно адаптивна. При модели на адаптивно проследяване и неутрални модели обаче, повечето дългосрочни замествания се държат така, сякаш са неутрални. Дори когато са налице много полезни мутации, шансът им за фиксиране остава нисък в променяща се среда.

Симулациите също така показват, че скоростите на заместване остават стабилни във времето, съответствайки на модела на молекулярния часовник, който озадачава изследователите в продължение на десетилетия. Това се случва, въпреки че адаптацията се случва в кратки времеви мащаби.

Резултати от SLiM симулации под AdaptTrack и други модели на флуктуиращ подбор. Кредит: Nature Ecology & Evolution

Нов начин да мислим за това колко добре животът се вписва в своя свят

Джан смята, че работата хвърля светлина върху това как живите същества се свързват със средата, която ги е оформила.

"Мисля, че това има широки последици", заявява изследователят. Той отбеляза, че човешките гени отразяват много среди, които вече не съществуват. Мутациите, които някога са помагали, сега може да не съответстват на съвременния живот.

Светът е такъв, че никой вид никога не се адаптира напълно, защото истинската стабилност е рядкост. Популациите може да изглеждат добре приспособени към средата си в един момент и зле пригодени в следващия, в зависимост от това кога е настъпила последната голяма промяна в околната среда. Дори хиляди поколения често не са достатъчно време, за да се адаптират напълно, преди условията да се променят отново.

Следващата стъпка на екипа е да провери дали този модел е валиден и за по-големи, многоклетъчни организми, където дълбокото мутационно сканиране е по-трудно за извършване.

Практически последици от изследването

Адаптивното проследяване предполага, че дългосрочните генетични модели могат да скрият истинското количество текущ подбор. Това прозрение може да повлияе на начина, по който изследователите интерпретират еволюционните истории и прогнозират как видовете реагират на изменението на климата.

Това може също да помогне на хората да разберат защо хората носят генетични черти, оформени от минали среди, които вече не съответстват на съвременния живот.

Тъй като учените прилагат тези идеи към повече видове, моделът може да подобри прогнозите за еволюцията на болестите, устойчивостта на селското стопанство и планирането на опазването на околната среда.

Справка: Song, S., Chen, P., Shen, X. et al. Adaptive tracking with antagonistic pleiotropy results in seemingly neutral molecular evolution. Nat Ecol Evol (2025). https://doi.org/10.1038/s41559-025-02887-1

Източник: Researchers reveal a groundbreaking new theory of evolution, Nature Ecology & Evolution

Още по темата

15/10/2025

Човекът

Еволюцията на интелигентността има висока цена, установи геномно проучване

18/09/2025

Човекът

Културата изпреварва генетиката при оформянето на човешката еволюция

09/09/2025

Животът

Мутациите, движещи еволюцията, не са случайни, а обусловени от генома, според проучване

27/08/2025

Човекът

Нашите предци примати са еволюирали в студа, а не в тропиците