Основы эволюции довольно просты: организмы, лучше приспособленные к выживанию и размножению, получают преимущество перед остальными. Биологи часто описывают этот процесс с помощью ландшафта приспособленности, где различным фенотипам или генотипам соответствуют разные уровни приспособленности. Однако к областям одинаково высокой приспособленности может вести несколько путей, и тогда возникает вопрос: что происходит, если несколько разных фенотипов обладают одинаковой приспособленностью?
Существование множества фенотипов с одинаковой приспособленностью называют вырожденностью. Такие ситуации часто связывают с нейтральной эволюцией и предполагают, что движение по ландшафту одинаковой приспособленности происходит случайным образом. Однако новое исследование учёных из Израильского технологического института Технион, опубликованное в PNAS, показывает с помощью математической модели, что это не обязательно так.
Исследователи построили минимальную модель эволюционной динамики на гладких вырожденных ландшафтах приспособленности, включив в неё мутации и естественный отбор. Вместо ненаправленного случайного блуждания возник другой эффект: когда популяция достигала множества состояний с оптимальной приспособленностью, динамика мутаций и отбора систематически смещала её к более плоским областям, хотя приспособленность во всех точках оставалась одинаковой. Такой «направленный дрейф» возникает из‑за взаимодействия изменчивости популяции с геометрией ландшафта приспособленности. Кривизна влияет на распределение фенотипических вариаций, а те, в свою очередь, меняют направление исследования ландшафта популяцией даже при отсутствии градиента приспособленности.
Иллюстрация плато максимальной приспособленности и дальнейшего развития эволюции.
В результате популяции преимущественно смещаются к более плоским участкам ландшафта. Эти области одновременно оказываются более устойчивыми: небольшие изменения или мутации с меньшей вероятностью переводят организм в состояние с худшей приспособленностью.
Это не означает, что у эволюции есть цель или что организмы каким‑либо образом стремятся повысить устойчивость. В модели она возникает как неявное следствие стохастической динамики мутаций и отбора и геометрии ландшафта, без отдельного отбора на устойчивость.
Результаты могут изменить интерпретацию эволюционных изменений, которые выглядят нейтральными. Фенотипическая изменчивость потенциально может содержать информацию о локальной геометрии ландшафта приспособленности и об эволюционной истории популяции.
Исследователи также отмечают сходство с тенденцией к поиску более плоских областей в стохастических алгоритмах оптимизации и глубоком обучении, хотя лежащие в основе механизмы различаются.
Работа носит теоретический и вычислительный характер. В ней используется минимальная модель, а не данные реальных организмов, поэтому ещё предстоит выяснить, насколько сильно предсказанный направленный дрейф влияет на эволюцию природных популяций.
Источник: habr.com