Mokslininkai manė suprantą evoliuciją. Jie klydo. ()
Pasirodo, naudingos mutacijos pasitaiko kur kas dažniau, nei prognozavo prieš 50 metų sukurta teorija, tačiau pasaulis keičiasi pernelyg greitai, kad jos galėtų įsitvirtinti.
© Tuckraider//Getty Images
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
- 1960-aisiais Kimuros neutralioji teorija sukėlė revoliuciją molekulinėje biologijoje, teigdama, kad dauguma DNR pokyčių yra atsitiktiniai, o ne prisitaikymo rezultatas.
- Naujasis tyrimas rodo, kad naudingos mutacijos pasitaiko kur kas dažniau, nei prognozavo Kimuros teorija.
- Tačiau besikeičianti aplinka gali panaikinti šiuos pranašumus anksčiau, nei jie spės išplisti visoje populiacijoje.
1859 m. lapkričio 24 d. geologas, tapęs biologu, Čarlzas Darvinas išleido knygą „Rūšių kilmė“, kurioje evoliuciją ir natūraliąją atranką nustatė kaip didžiulės gamtos įvairovės Žemėje atsiradimo veiksnius. Nors evoliucijos teorija išlaikė laiko išbandymą, ji nuolat papildoma ir patikslinama, nes mūsų galimybės tyrinėti gamtą vis gerėja. Tačiau galbūt joks kitas patikslinimas nesukėlė šioje srityje didesnio sukrėtimo nei idėja, kad molekuliniu lygmeniu daugumą evoliucinių pokyčių lemia atsitiktinio dreifo teorija, o ne natūrali atranka.
Šis patikslinimas atsirado XX a. septintojo dešimtmečio pabaigoje, kai japonų biologas Motoo Kimura pristatė molekulinės evoliucijos „neutraliąją teoriją“. Nors Darvino teorijos aprašo procesus, kuriančius fenotipų fizines savybes, Kimuros teorija tyrinėjo DNR ir baltymų sritį, arba genotipus. Abi teorijos kartu padeda paaiškinti gyvybės įvairovę Žemėje, tačiau Kimuros hipotezė daug didesniu mastu sutelkia dėmesį į gyvybės molekulinį vidinį veikimą. Trumpai tariant, Kimura pasiūlė radikalią idėją: kad dauguma DNR pokyčių visai nėra nulemti „tinkamiausiojo išlikimo“ principo, o vyksta visiškai atsitiktinai. Tai samprata, kuri iš esmės pakeitė biologų požiūrį į tai, kas iš tikrųjų vyksta po evoliucijos paviršiumi.
|
Dabar Mičigano universiteto (UM) mokslininkų komanda žurnale paskelbė naują tyrimą „Nature Ecology & Evolution“ kuriame kritiškai vertinama vieną iš pagrindinių Kimuros „neutraliosios teorijos“ prielaidų, kad naudingos mutacijos yra palyginti retos. Neutrali teorija dažnai laikoma vienintele tikra koncepcine revoliucija evoliucinėje biologijoje nuo 1940-ųjų – tai teorinis modelis, kurį daugiau nei 50 metų taip gerai patvirtino genominių duomenų analizė, kad jis tapo standartine DNR evoliucijos prielaida. Tačiau naujausi tyrimai rodo, kad viena iš pagrindinių prielaidų, kuria dešimtmečiais rėmėsi molekulinė evoliucinė biologija, turi būti iš esmės perrašyta. Kimura neklydo, tačiau tikroji istorija yra kur kas labiau dinamiška ir stebinanti nei jis pats įsivaizdavo.
Išanalizavę 100-te skirtingų terpių augintų 1320 modelinių vienaląsčių organizmų populiacijų, įskaitant mieles ir E. coli, aštuonis šimtus kartų̃, autoriai nustatė, kad naudingos mutacijos atsiranda dažniau, nei manė Kimura, tačiau besikeičianti aplinka dažnai neleidžia šioms mutacijoms išplisti visoje populiacijoje. „Mes teigiame, kad rezultatas buvo neutralus, tačiau procesas nebuvo neutralus“, – sakė UM evoliucinis biologas Jianzhi Zhang, pagrindinis tyrimo autorius, spaudos pranešime. „Mūsų modelis rodo, kad natūralios populiacijos nėra iš tiesų prisitaikiusios prie savo aplinkos, nes aplinka keičiasi labai greitai, o visada vejasi aplinkos pokyčius.“
Kadangi mutacijos atsiranda atsitiktinai, kai kurias iš jų – ypač nenaudingas – pašalina natūrali atranka, o nedidelis skaičius naudingų mutacijų išplinta visoje populiacijoje per vadinamąjį fiksacijos procesą. Nors neutrali molekulinės evoliucijos teorija teigia, kad naudingos mutacijos yra retos, naujajame tyrime, pasitelkus mutacijų skenavimo metodus ir analizuojant įvairius duomenų rinkinius, nustatyta, kad vienas procentas aminorūgščių pokytį sukeliančių mutacijų buvo naudingos. Tas vienas procentas gali atrodyti nedidelis, tačiau kadangi naudingos mutacijos plinta žymiai dažniau nei neutralios, praktiškai kiekvienas aminorūgšties pokytis, kuris tampa nuolatinis rūšyje turėtų būti nulemtas natūralios atrankos. Tai visiškai priešinga tam, ką teigia Kimuros teorija. Nors Kimuros teorija iš esmės paskatino mokslininkus atmesti naudingas mutacijas kaip evoliucinį foninį triukšmą, nauji atradimai rodo, kad jos yra nuolatinis, galingas ritmas, kurį slopina kažkas kita. Gene mutacijos turėtų vykti greičiau ir dažniau nei mokslininkai stebi gamtoje. Tad kodėl dauguma šių mutacijų neįsitvirtina? Kas čia nesutampa?
Norėdama atsakyti į šiuos klausimus, komanda sukūrė naują teoriją, kad tai, kas šiandien yra naudinga, rytoj gali būti nebe taip naudinga dėl aplinkos pokyčių. Norėdama patikrinti savo hipotezę, komanda 800 kartų per 100 skirtingų auginimo terpių išaugino 1 320 mielių populiacijų. Terpės buvo atsitiktinai suskirstytos į šimtą rinkinių. Kiekvienoje grupėje kai kurios populiacijos visą eksperimento laiką vystėsi vienoje pastovioje terpėje, o kitos buvo rotuojamos per visas dešimt terpių, kas 80 kartų̃ persėjant į naują aplinką. Mokslininkai nustatė, kad naudingos mutacijos įsitvirtindavo kur kas rečiau tose populiacijose, kurios susidurdavo su besikeičiančiomis sąlygomis, o tai rodo, kad aplinkos pokyčiai veiksmingai panaikindavo mutacijos pranašumą dar prieš jai spėjus išplisti populiacijoje. Duomenys atskleidė stebinantį dėsningumą: tarp mutacijų, kurios buvo naudingos bent vienoje aplinkoje, maždaug 70 procentų buvo aktyviai žalingos bent vienoje kitoje aplinkoje – tai genetinis dviašmenis kardas, kurį mokslininkai vadina antagonistine pleiotropija.
„Manau, kad tai turi plačias pasekmes“, – teigia Zhang spaudos pranešime. „Pavyzdžiui, žmonės. Mūsų aplinka labai pasikeitė, o mūsų genai gali būti ne visai pritaikyti šiandienos aplinkai, nes anksčiau gyvenome daugelyje kitokių aplinkų. Kai kurios mutacijos galėjo būti naudingos mūsų senosiose aplinkose, tačiau šiandien jos nebetinka.“
Žinoma, šios idėjos patikrinimas sudėtingesnių būtybių atveju – ar tai būtų žmonės, ar netgi tik daugialąsčiai organizmai – yra visai kitas iššūkis. Juk mielių ląstelių karta trunka tik tris valandas, o žmonės paprastai linkę gyventi šiek tiek ilgiau. Komanda pažymi, kad reikės atlikti daugiau mutacijų tyrimų, siekiant išsiaiškinti, ar ši taisyklė taip pat tinka augalams ir gyvūnams, tačiau įrodymai liudija, kad gyvūnai niekada nėra visiškai prisitaikę prie savo aplinkos. Pavyzdžiui, komandos atradimas atspindi seniai žinomą žmogaus genetikos idėją: „taupaus geno“ hipotezė, pagal kurią aleliai, padėję mūsų protėviams išgyventi bado laikotarpius, dabar, maisto perteklių laikais, gali didinti mūsų polinkį į diabetą.
„Tikriausiai niekada nepamatysime populiacijos, kuri būtų visiškai prisitaikiusi prie savo aplinkos“, – teigė Zhang spaudos pranešime, – „nes visiškas prisitaikymas užtruktų ilgiau, nei beveik bet kuri natūrali aplinka gali išlikti pastovi.“
Darren Orf
www.popularmechanics.com
