Dzīves izcelsmes un attīstības noslēpums tiek atklāts, pateicoties datoru modeļiem
Evolūcija notiek ļoti lēni, tāpēc laboratorijas novērojumi vai eksperimenti šeit ir gandrīz neiespējami. Mičiganas universitātes evolūcijas pārstāvji nolēma apiet šo problēmu un, izmantojot evolūcijas simulatoru, noskaidrot novērotās dzīvības izskatu un formu sarežģītības cēloņus. "Lenta.ru" runā par šo pētījumu.
Evolūcijas biologi joprojām interesējas par bioloģisko organismu sarežģītību un to, kāda loma tajā ir dažādiem evolūcijas mehānismiem. Viens no šiem mehānismiem ir dabiskā atlase, kuras dēļ tiek izplatīti jauni gēnu varianti (alēles), veicinot atsevišķu nesēju izdzīvošanu. Tas var izskaidrot dzīvo organismu sarežģītību, kaut arī ne vienmēr. Dažreiz dabiskā atlase novērš izmaiņas, saglabājot to, kas dzīvniekam jau ir. Šajā gadījumā runā par dabiskās atlases stabilizēšanu.
Eksperimentāli ir pierādīts, ka dabiskā atlase patiešām ir viens no galvenajiem evolūcijas izmaiņu cēloņiem, ieskaitot jaunu adaptīvo īpašību izplatīšanos populācijā. Piemēram, amerikāņu biologs Ričards Lenskis izveidoja ilgtermiņa eksperimentu par Escherichia coli evolūciju. Eksperiments sākās 1988. gadā un turpinās līdz šai dienai. Zinātnieki ir sekojuši 60 tūkstošu E. coli paaudžu maiņai un atklājuši, ka baktērijas, kas iepriekš nespēja baroties ar nātrija citrātu, šo spēju ieguva vairāku gēnu mutāciju dēļ. Tas viņiem deva evolūcijas priekšrocības starp baktērijām, kas izauga ar citrātiem bagātā vidē.
Vēl viens evolūcijas faktors ir populācijas lielums. Jo mazāka populācija, jo spēcīgāka ir nejaušo procesu ietekme. Piemēram, dabas katastrofa var izraisīt visu cilvēku nāvi ar jaunām alēlēm, un dabiskā atlase vairs nevarēs ar viņiem strādāt. To sauc par gēnu novirzi, un, katru reizi samazinoties dzīvnieku skaitam (mazāk par 104 īpatņiem) populācijā, novirze palielinās, vājinot selekcijas ietekmi.
Molekulārajā evolūcijā, kas pēta evolūcijas mehānismus gēnu un to alēļu līmenī, ģenētiskā autostāvvietā un dreifā loma ir labi zināma. Daudzas mutācijas, kas izraisa jaunu gēnu alēļu parādīšanos, paliek neitrālas. Tas ir, jauna īpašība vai nu nerodas, un dzīvnieks ārēji nemainās, vai arī jaunā īpašība nekādā veidā neietekmē indivīda piemērotību. Gēna ar neitrālu mutāciju un līdz ar to pazīmi izplatīšanās ir nejauša (gēnu novirze). Iespējama arī cita iespēja. Neadaptīvie mehānismi veicina neitrālu mutāciju uzkrāšanos populācijā, kas vēlāk var izraisīt adaptīvu īpašību parādīšanos.
Gēnu novirzes ilustrācija: katru reizi, kad nejaušs skaits sarkano un zilo bumbiņu tiek pārvietots no kannas uz burku, kā rezultātā vienas krāsas bumbiņas "uzvar"
Reklāmas video:
Attēls: Vikipēdija
Dzīvnieku populācijas lielums, kurā izplatās jaunas alēles, ir ļoti svarīgs sarežģītības attīstībai. Tas ir atkarīgs no tā, cik daudz ietekmē dabiskā atlase vai gēnu novirze. Sarežģītība var attīstīties tāpēc, ka lielai populācijai rodas vairākas labvēlīgas mutācijas, kuras labvēlīgi ietekmē dabiskā atlase. Jo lielāka populācija, jo vairāk šādu mutāciju. Vai arī lielās populācijās tiek veidotas daudzas uzkrājošās neitrālās mutācijas, no kurām tikai dažas ir atbildīgas par dažām ārējām pazīmēm. Šīs īpašības papildina organisma sarežģītību.
Dažreiz evolūcija nonāk sava veida strupceļā. Paradoksāli, bet dažreiz ir nepieciešamas negatīvas mutācijas. Iedomājieties būtni, kas vislabāk piemērota tās videi. Pieņemsim, ka tas ir jūras dzīvnieks ar racionalizētu ķermeni un optimāla izmēra spuras. Jebkuras izmaiņas draud izjaukt līdzsvaru, un ķermenis zaudēs pilnību. Piemēram, spuru palielināšana kļūs par apgrūtinājumu, dzīvnieks zaudēs savus līdzcilvēkus, un dabiskā atlase nedos zaļo gaismu šādām izmaiņām. Tomēr, ja notiks briesmīga vētra un lielākā daļa "ideālo" indivīdu mirst, tad spēlēs ģenētiskā dreifēšana. Tas ļaus nostiprināties ne tikai lielo spuru nepilnīgajiem gēniem, bet arī pavērs vietu tālākai evolūcijai. Indivīdi laika gaitā var vai nu atgūt optimālo spuru, vai arī kompensēt zaudējumus ar dažām citām noderīgām īpašībām.
Iedzīvotāji, kas uzkāpj uz evolucionālās ainavas "kalna", kļūst labāk pielāgojami, savukārt kalna virsotne atbilst evolucionārajai "strupceļam"
Attēls: Rendijs Olsons / Wikipedia
Lai to visu ievērotu, ir nepieciešami ļoti ilgi laika periodi. Bioloģiskos eksperimentus, kas atbalsta evolūcijas teorijas, ir ārkārtīgi grūti īstenot. Pat Lenski eksperiments ar E. coli, kuram ir ātra paaudžu maiņa un mazs genoma lielums, ilga gandrīz 30 gadus. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, evolucionisti pētījumos izmantoja mākslīgo dzīvības simulatoru Avida, kas tika publicēts kā paziņojums presei vietnē Arxiv.org. Mērķis bija izpētīt, kā populācijas lielums ietekmē genoma lielumu un indivīda visu pazīmju (fenotipa) kopumu. Vienkāršības labad biologi paņēma bezdzimuma organismu populāciju un vēroja "evolūciju darbībā".
Avida ir mākslīgs dzīves simulators, ko izmanto evolucionārās bioloģijas pētījumos. Viņš izveido evolucionējošu datoru replikējošu (pavairojošu) datorprogrammu sistēmu, kas var mutēt un attīstīties. Šiem digitālajiem organismiem ir genoma analogs - instrukciju cikls, kas ļauj viņiem veikt jebkuras darbības, ieskaitot reproducēšanu. Pēc noteiktu instrukciju izpildes programma var kopēt sevi. Organismi konkurē savā starpā par ierobežotu resursu: datora procesora laiku.
Videi, kurā dzīvo un vairojas digitālie organismi, ir ierobežots šūnu skaits programmu izvietošanai. Kad programmas aizņem visu vietu, jaunās paaudzes aizstāj vecās programmas no nejaušām šūnām neatkarīgi no to konkurētspējas. Tādā veidā tiek panākts gēnu novirzes digitālais analogs. Turklāt digitālie organismi mirst, ja pēc noteikta instrukciju cikla neizdodas veiksmīgi vairoties.
Avida pasaules attēls ar digitāliem organismiem, no kuriem katrs ir pašpavairojoša programma
Attēls: Elizabetes Ostrovskas / Ostrovska laboratorija
Lai programma izpildītu instrukcijas, tai nepieciešami resursi. Šis Avida resurss ir SIP vienība (vienas instrukcijas apstrādes vienība), kas ļauj izpildīt tikai vienu instrukciju. Kopumā katram organismam var būt vienāds SIP vienību skaits, taču katrā ciklā resurss tiek sadalīts nevienmērīgi starp programmām - atkarībā no digitālo organismu īpašībām (fenotipa analoga). Ja kādam organismam piemīt labākas īpašības nekā citam, tad tas saņem vairāk SIP vienību un vienā ciklā izdodas izpildīt vairāk instrukciju nekā tā mazāk veiksmīgais kolēģis. Attiecīgi tas vairojas ātrāk.
Digitālā organisma fenotips sastāv no tā "digitālās metabolisma" pazīmēm, kas dod (vai ne) iespēju veikt noteiktus loģiskus aprēķinus. Šīs iezīmes ir jāpateicas “gēniem”, kas nodrošina pareizu instrukciju secību. Avida pārbauda, vai ķermenis veic darbības pareizi, un piešķir tai resursus atbilstoši koda daudzumam, kas vajadzīgs instrukciju izpildei. Tomēr, kopējot kodu, var rasties kļūdas - nevajadzīgu fragmentu ievietošana vai esošo dzēšana (dzēšana). Šīs mutācijas maina spēju veikt labāku vai sliktāku aprēķinu, ar ievietojumiem palielinot genomu un izdzēšanām samazinoties.
Digitālās populācijas ir ērts pētījumu objekts. Protams, nebūs iespējams pārbaudīt hipotēzes, kas saistītas ar gēnu, epigenētisko un citu molekulāro un bioķīmisko faktoru ietekmi uz evolūciju. Tomēr viņi labi prot modelēt dabisko atlasi, dreifu un mutāciju izplatīšanos.
Pētnieki ir novērojuši dažāda lieluma digitālo populāciju attīstību, sākot no 10 līdz 10 tūkstošiem indivīdu, katrā no tām izejot cauri 250 tūkstošiem paaudžu. Eksperimenta laikā ne visas populācijas izdzīvoja, lielākā daļa cilvēku ar 10 indivīdiem izmira. Tāpēc zinātnieki simulēja papildu mazu 12–90 indivīdu populāciju attīstību, lai uzzinātu, kā izmiršanas varbūtība ir saistīta ar sarežģītības attīstību. Izrādījās, ka izmiršana bija saistīta ar faktu, ka mazās populācijās uzkrājās kaitīgas mutācijas, kas izraisīja dzīvotnespējīgu pēcnācēju parādīšanos.
Zinātnieki apskatīja, kā eksperimenta laikā mainījās genoma lielums. Katras populācijas "dzīves" sākumā genoms bija salīdzinoši mazs, ieskaitot 50 dažādas instrukcijas. Vismazākās un lielākās "organismu" grupas eksperimenta beigās ieguva lielākos genomus, savukārt vidēja lieluma populācijas samazināja savus genomus.
Kopumā rezultāti parādīja, ka ļoti mazas populācijas ir pakļautas izzušanai. Iemesls tam var būt "Möller ratchet" - neatgriezeniskas kaitīgu mutāciju uzkrāšanās process organismu populācijās, kuras nespēj reproduktīvi reproduktīvi. Nedaudz lielākas populācijas negaidīti spēj palielināt savu genomu lielumu vieglu negatīvu mutāciju dēļ, kas “atritina” organismus no optimālas adaptācijas. Savukārt genomu lieluma palielināšanās izraisīja jaunu fenotipisku pazīmju parādīšanos un digitālā organisma "parādīšanās" komplikāciju.
Lielas populācijas palielina arī genoma lielumu un fenotipa sarežģītību, bet tas ir saistīts ar retām labvēlīgām mutācijām. Šajā gadījumā dabiskā atlase darbojas, lai veicinātu šādu izmaiņu izplatīšanos. Ir arī cits komplikācijas veids: caur dubultām mutācijām, no kurām viena ir neitrāla un nedod nekādas priekšrocības, bet otrā nodrošina pirmo ar funkcionalitāti. Vidēja lieluma populācijām ir jāpalielina genomu lielums, lai attīstītu sarežģītību, taču labvēlīgas mutācijas tajās nav tik biežas, savukārt spēcīga atlase novērš lielāko daļu adaptīvo gēnu izmaiņu, un novirze paliek pārāk vāja. Rezultātā šādas populācijas atpaliek no mazām un lielām populācijām.
Evolūcijas simulators piedāvā ideālu populācijas modeli un pilnībā neapraksta, kas notiek patiesībā. Lai pilnīgāk izprastu adaptīvo un nepielāgošanās mehānismu nozīmi dzīvo organismu sarežģītības attīstībā, jāveic papildu pētījumi.
Aleksandrs Enikejevs