Az élet keletkezésének és fejlődésének rejtélye a számítógépes modelleknek köszönhetően tárul fel
Az evolúció nagyon lassú, ezért a laboratóriumi megfigyelések vagy kísérletek itt szinte lehetetlenek. A Michigani Egyetem evolucionistái úgy döntöttek, hogy megkerülik ezt a problémát, és evolúciós szimulátor segítségével megtudják az élőlények megjelenésének és formáinak megfigyelt bonyolultságának okait. A "Lenta.ru" erről a tanulmányról beszél.
Az evolúciós biológusok továbbra is kíváncsi a biológiai organizmusok összetettségére és arra, hogy ebben a különböző evolúciós mechanizmusok milyen szerepet játszanak. Ezen mechanizmusok egyike a természetes szelekció, amelynek köszönhetően a gének új változatai (alléljai) terjednek, amelyek hozzájárulnak az egyes hordozók túléléséhez. Ez magyarázhatja az élő szervezetek összetettségét, bár nem mindig. Néha a természetes szelekció megakadályozza a változást azáltal, hogy megőrzi azt, amivel az állat már rendelkezik. Ebben az esetben a természetes szelekció stabilizálásáról beszélünk.
Kísérletileg bebizonyosodott, hogy a természetes szelekció valóban az evolúciós változások egyik fő oka, ideértve az új adaptív tulajdonságok elterjedését a populációban. Richard Lenski amerikai biológus például hosszú távú kísérletet indított az Escherichia coli evolúciójával kapcsolatban. A kísérlet 1988-ban kezdődött és a mai napig tart. A tudósok követték az E. coli 60 ezer generációjának változását, és megállapították, hogy a baktériumok, amelyek korábban nem voltak képesek táplálkozni nátrium-citráttal, több gén mutációi miatt megszerezték ezt a képességet. Ez evolúciós előnyt biztosított számukra a citrátban gazdag táptalajon nőtt baktériumok között.
Egy másik evolúciós tényező a populáció nagysága. Minél kisebb a populáció, annál erősebb a véletlenszerű folyamatok hatása. Például egy természeti katasztrófa minden új allélokkal rendelkező egyén halálához vezethet, és a természetes szelekció már nem lesz képes velük dolgozni. Ezt génsodródásnak nevezik, és a populációban az állatok számának (kevesebb, mint 104 egyed) minden csökkenésével a sodródás növekszik, gyengítve a szelekció hatását.
A molekuláris evolúcióban, amely a gének és alléljaik szintjén vizsgálja az evolúciós mechanizmusokat, a genetikai stoppolás és a sodródás szerepe közismert. Számos új génallél megjelenéséhez vezető mutáció semleges marad. Vagyis új tulajdonság vagy nem merül fel, és az állat nem változik kifelé, vagy az új tulajdonság semmilyen módon nem befolyásolja az egyén fittségét. A semleges mutációval rendelkező, tehát tulajdonsággal rendelkező gén terjedése véletlenszerű (géneltolódás). Egy másik lehetőség is lehetséges. A nem adaptív mechanizmusok hozzájárulnak a semleges mutációk felhalmozódásához a populációban, ami később adaptív tulajdonságok megjelenéséhez vezethet.
A génsodródás illusztrációja: minden alkalommal, amikor véletlenszerű számú piros és kék golyót visznek át a kannából az üvegbe, ennek eredményeként az azonos színű golyók "nyernek"
Promóciós videó:
Kép: Wikipédia
Az új allélek terjedésével járó állatpopuláció nagysága nagyon fontos a komplexitás kialakulásához. Attól függ, hogy a természetes szelekció vagy a géneltolódás mennyire befolyásolja. A komplexitás abból adódhat, hogy nagy populációban számos hasznos mutáció lép fel, amelyeket a természetes szelekció támogat. Minél nagyobb a populáció, annál több ilyen mutáció fordul elő. Vagy nagy populációkban sok felhalmozódó semleges mutáció képződik, amelyek közül csak néhány felelős néhány külső tulajdonságért. Ezek a tulajdonságok összeadják a szervezet összetettségét.
Néha az evolúció egyfajta zsákutcába kerül. Paradox módon néha negatív mutációkra van szükség. Képzelje el azt a lényt, amely a legjobban megfelel a környezetének. Tegyük fel, hogy ez egy egyszerűsített testű és optimális méretű uszonyokkal rendelkező tengeri állat. Bármely változás az egyensúly felborulásával fenyeget, és a test elveszíti tökéletességét. Például az uszonyok megnövekedése teherként válik, egy állat elveszíti társait, és a természetes szelekció nem világít ilyen változásra. Ha azonban szörnyű vihar következik be, és a "tökéletes" egyedek többsége meghal, akkor a genetikai sodródás játszik szerepet. Ez lehetővé teszi nemcsak a nagy uszonyok hibás génjeinek megalapozását, hanem teret is nyit a további evolúció számára. Az egyének idővel visszanyerhetik az optimális uszonyokat, vagy egyéb hasznos tulajdonságokkal kompenzálhatják veszteségüket.
Az evolúciós táj "dombjára" felmászó népesség alkalmazkodóbbá válik, míg a domb teteje megfelel az evolúciós "zsákutcának"
Kép: Randy Olson / Wikipedia
Mindezek megfigyeléséhez nagyon hosszú idő szükséges. Az evolúciós elméleteket alátámasztó biológiai kísérleteket rendkívül nehéz megvalósítani. Még Lenski E. colival végzett kísérlete is, amelyet a gyors generációváltás és a kis genomméret jellemez, csaknem 30 évet vett igénybe. Ennek a korlátnak a leküzdésére az evolucionisták az Avida mesterséges életszimulátort használták kutatásuk során, amelyet sajtóközleményként publikáltak az Arxiv.org oldalon. A cél az volt, hogy megvizsgálják, hogy a populáció nagysága hogyan befolyásolja a genom méretét és az egyén összes tulajdonságának (fenotípusának) összességét. Az egyszerűség kedvéért a biológusok ivartalan organizmusok populációját vették figyelembe és figyelték az "evolúció működését".
Az Avida egy mesterséges életszimulátor, amelyet az evolúciós biológia kutatásához használnak. Megalkotja a mutációra és fejlesztésre képes, önreplikáló (szaporító) számítógépes programok fejlődő rendszerét. Ezeknek a digitális organizmusoknak van egy analógja a genomról - az utasítások ciklusa lehetővé teszi számukra bármilyen művelet végrehajtását, beleértve a szaporodást is. Bizonyos utasítások betartása után a program képes másolni magát. A szervezetek egy korlátozott erőforrásért versengenek egymással: a számítógép processzorának idejéért.
A digitális organizmusok élő és szaporodó környezetében korlátozott számú sejt található a programok befogadására. Amikor a programok elfoglalják az összes helyet, az új generációk a régi programokat helyettesítik a véletlenszerű cellákból, versenyképességüktől függetlenül. Ily módon a génsodródás digitális analógja érhető el. Ezenkívül a digitális organizmusok elpusztulnak, ha bizonyos számú utasításciklus után nem sikerül szaporodniuk.
Kép az Avida világról digitális organizmusokkal, amelyek mindegyike egy önreplikáló program
Kép: Elizabeth Ostrowsky / Ostrowsky laboratórium
Ahhoz, hogy a program utasításokat hajtson végre, erőforrásokra van szükség. Ez az Avida erőforrás egy SIP egység (egyetlen utasítás feldolgozó egység), amely csak egy utasítás végrehajtását teszi lehetővé. Összességében mindegyik szervezetnek lehet azonos száma SIP egységek, de az egyes ciklusokban az erőforrás egyenetlenül oszlik meg a programok között - a digitális organizmusok minőségétől (a fenotípus analógja) függően. Ha egy organizmus jobb tulajdonságokkal rendelkezik, mint egy másik, akkor több SIP egységet kap, és több utasítást sikerül végrehajtania egy ciklusban, mint kevésbé sikeres párja. Ennek megfelelően gyorsabban szaporodik.
A digitális organizmus fenotípusa "digitális anyagcseréjének" jellemzőiből áll, amelyek lehetővé teszik (vagy nem teszik lehetővé) bizonyos logikai számítások elvégzését. Ezek a tulajdonságok "géneknek" köszönhetik létezésüket, amelyek biztosítják az utasítások helyes sorrendjét. Az Avida ellenőrzi, hogy a test megfelelően végzi-e a műveleteket, és erőforrásokat ad neki az utasítások végrehajtásához szükséges kódmennyiségnek megfelelően. A kód másolásakor azonban hibák fordulhatnak elő - felesleges töredékek beszúrása vagy a meglévők törlése (törlése). Ezek a mutációk megváltoztatják a jobb vagy rosszabb számítás képességét, az inszerciók megnövelik a genomot és a deléciók zsugorodnak.
A digitális populációk kényelmes kutatási tárgyak. Természetesen nem lehet tesztelni a gének, az epigenetikus és egyéb molekuláris és biokémiai tényezők evolúcióra gyakorolt hatásával kapcsolatos hipotéziseket. Jól tudják azonban modellezni a természetes szelekciót, a sodródást és a mutáció terjedését.
A kutatók megfigyelték a különböző méretű, 10 és 10 ezer közötti digitális populációk fejlődését, amelyek mindegyike körülbelül 250 ezer generáción keresztül halad át. A kísérlet során nem minden populáció élte túl, a legtöbb 10 fős csoport kihalt. Ezért a tudósok további, 12-90 egyedből álló kis populációk alakulását szimulálták, hogy megtudják, hogyan viszonyul a kihalás valószínűsége a komplexitás kialakulásához. Kiderült, hogy a kihalás annak a ténynek volt köszönhető, hogy a kis populációk káros mutációkat halmoztak fel, ami életképtelen utódok megjelenéséhez vezetett.
A tudósok megvizsgálták, hogyan változott a genom mérete a kísérlet során. Az egyes populációk "életének" kezdetén a genom viszonylag kicsi volt, 50 különböző utasítással együtt. Az "organizmusok" legkisebb és legnagyobb csoportja a kísérlet végére megszerezte a legnagyobb genomot, míg a közepes méretű populációk zsugorodtak.
Összességében az eredmények azt mutatták, hogy nagyon kis populációk hajlamosak a kihalásra. Ennek oka lehet a "Möller racsnis" - a káros mutációk visszafordíthatatlan felhalmozódásának folyamata a nemi szaporodásra képtelen szervezetek populációiban. A kissé nagyobb populációk váratlanul képesek megnövelni genomjuk nagyságát az enyhe negatív mutációk miatt, amelyek "visszaforgatják" az organizmusokat az optimális alkalmazkodásból. A genomok méretének növekedése viszont új fenotípusos tulajdonságok megjelenéséhez és a digitális organizmus „megjelenésének” komplikációjához vezetett.
A nagy populációk növelik a genom méretét és a fenotípus komplexitását is, de ez a ritka előnyös mutációknak köszönhető. Ebben az esetben a természetes szelekció elősegíti az ilyen változások terjedését. A bonyodalmaknak van egy másik módja is: kettős mutációk révén, amelyek közül az egyik semleges és nem ad semmilyen előnyt, a második pedig az elsőnek biztosítja a funkcionalitást. A közepes méretű populációknak növelniük kell a genomok méretét a komplexitás kialakulásához, de a hasznos mutációk nem fordulnak elő bennük annyira gyakran, míg az erős szelekció eltávolítja a gének adaptív változásainak nagy részét, és a sodródás továbbra is túl gyenge. Ennek eredményeként ezek a populációk elmaradnak a kis és nagy populációktól.
Az evolúciós szimulátor ideális populációs modellt kínál, és nem írja le teljes mértékben, mi történik a valóságban. Az adaptív és nem adaptív mechanizmusok szerepének teljesebb megértéséhez az élő szervezetek komplexitásának kialakulásában további kutatásokra van szükség.
Alekszandr Enikeev