Основи еволюції досить прості: організми, які краще пристосовані до виживання та розмноження, мають перевагу над іншими. Ці тварини виживають, а інші - ні.

Біологи іноді уявляють це як тривимірний "ландшафт" придатності, де піки - це види в найкращій формі. Однак існує кілька шляхів досягнення піків цього ландшафту, і виникають питання про те, що відбувається, коли кілька фенотипів (біологічних ознак) перебувають на одному рівні.

Традиційно вважалося, що еволюція відбувається випадково або нейтрально, але нещодавнє дослідження, опубліковане в PNAS, вченими з Техніону, Ізраїльського технологічного інституту, ставить під сумнів цю думку.

"Еволюцію зазвичай описують як процес підйому на піки придатності, в якому організми стають краще пристосованими до свого середовища і, отже, покращують свої шанси на виживання," - говорить біолог Наама Бреннер.

"Однак організми іноді стикаються з кількома еволюційними траєкторіями, які всі забезпечують однаковий рівень придатності. Це піднімає питання про те, як еволюція обирає між цими шляхами з еквівалентною придатністю."

У біології це явище, коли кілька організмів досягають однакових піків придатності, називається дегенерацією. Біологічні ландшафти часто є дуже дегенеративними, оскільки багато видів мають приблизно однакову придатність, навіть якщо вони досягають цього різними шляхами.

"Інтуїтивно можна уявити, що еволюція тоді відбувається випадковим чином серед цих дегенеративних станів," - пишуть дослідники у своїй статті. "Однак ми показуємо, що це зазвичай не так."

Дослідники побудували спрощену математичну модель, щоб проаналізувати, як популяції виживають на плоских і дегенеративних ландшафтах, враховуючи природний відбір і мутаційні події, які відбуваються в реальному світі.

Подальші прогнози та симуляції були використані для тестування ефектів сотень поколінь еволюції та того, як вони можуть розвиватися.

Виникло щось інше, ніж гіпотеза випадковості: коли організми досягали точки максимальної придатності, вони продовжували рухатися в напрямку найпласкіших ділянок, навіть коли не було "переваги в придатності".

Цей "направлений дрейф" рухається в напрямку, де певні риси популяції краще захищені від мутацій та інших порушень. Саме тут перевага виживання має вплив – у більш прощених частинах карти.

"На гладких маніфолдах з однаковою придатністю виникає прихований упереджений напрямок, що детерміновано веде еволюційні популяції до плоскіших регіонів," - пишуть дослідники. "Ця упередженість виникає внаслідок взаємодії між варіабельністю популяції та геометрією ландшафту."

Дослідники вказують на значні наслідки для теорії еволюції. Еволюційні групи можуть розвивати стійкість і витривалість через цей направлений дрейф, майже як побічний ефект, без будь-якого специфічного еволюційного тиску.

Команда дослідників також стверджує, що незначні біологічні варіації можуть бути важливішими, ніж вважалося раніше, можливо, розкриваючи основну форму ландшафту придатності та те, як популяція подорожувала по ньому через еволюційну історію.

Це ідея, яку також розглядали попередні дослідження, підходячи до неї з трохи іншого кута через концепцію "мутаційно-дружніх сусідств" – безпечних просторів, де генетичні варіації мають менші витрати на виживання.

Майбутні дослідження можуть потенційно пов'язати ці результати з системами глибокого навчання, де нейронні мережі, які живлять ШІ, також мають перевагу для плоскіших частин карти.

Можливо, також потрібно переосмислити, як еволюційні зміни інтерпретуються вченими, особливо якщо вони здаються нейтральними. Наступні кроки полягатимуть у тому, щоб взяти відносно прості моделі, які були використані тут, і розвинути їх для використання з більш складними живими організмами та екосистемами, а також природною варіабельністю, зафіксованою в природі.

Дослідження було опубліковане в PNAS.

Цікавий факт

Дослідження еволюції може допомогти зрозуміти, як адаптації організмів можуть впливати на їх виживання в умовах змінюваного середовища.