Οι βασικές αρχές της εξέλιξης είναι σχετικά απλές: οι οργανισμοί που είναι καλύτερα προσαρμοσμένοι για να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν έχουν συνήθως πλεονέκτημα έναντι των άλλων. Αυτά τα ζώα συνεχίζουν να ζουν, ενώ άλλα όχι.
Οι βιολόγοι συχνά το περιγράφουν αυτό ως ένα τρισδιάστατο «τοπίο» καταλληλότητας, όπου οι κορυφές αντιστοιχούν στα είδη που βρίσκονται στην καλύτερη κατάσταση. Όμως, υπάρχουν πολλαπλές διαδρομές προς αυτές τις κορυφές, ενώ παραμένει ανοιχτό το ερώτημα τι συμβαίνει όταν πολλαπλοί φαινότυποι, δηλαδή βιολογικά χαρακτηριστικά, βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.
Παραδοσιακά, η επικρατούσα άποψη ήταν ότι σε αυτό το σημείο η εξέλιξη προχωρά τυχαία ή ουδέτερα. Όμως νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο PNAS από ερευνητές του Technion Israel Institute of Technology δείχνει κάτι διαφορετικό.
«Η εξέλιξη συνήθως περιγράφεται ως μια διαδικασία αναρρίχησης σε κορυφές καταλληλότητας, κατά την οποία οι οργανισμοί προσαρμόζονται καλύτερα στο περιβάλλον τους και έτσι βελτιώνουν τις πιθανότητες επιβίωσής τους», λέει η βιολόγος Naama Brenner.
«Ωστόσο, οι οργανισμοί μερικές φορές αντιμετωπίζουν πολλαπλές εξελικτικές διαδρομές που οδηγούν όλες στο ίδιο επίπεδο καταλληλότητας.
«Αυτό γεννά το ερώτημα με ποιον τρόπο η εξέλιξη επιλέγει ανάμεσα σε αυτές τις ισοδύναμες διαδρομές.»
Στη βιολογία, αυτή η συνάντηση πολλών οργανισμών στις ίδιες κορυφές καταλληλότητας ονομάζεται degeneracy. Τα βιολογικά τοπία είναι συχνά ιδιαίτερα degenerate, με την έννοια ότι πολλά είδη είναι περίπου ισοδύναμα ως προς την καταλληλότητα, ακόμη κι αν φτάνουν εκεί με διαφορετικούς τρόπους.
«Διαισθητικά, μπορεί κανείς να φανταστεί ότι η εξέλιξη τότε περιπλανάται τυχαία ανάμεσα σε αυτές τις degenerate καταστάσεις», γράφουν οι ερευνητές στην εργασία τους. «Εμείς εδώ δείχνουμε ότι γενικά αυτό δεν ισχύει.»
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα απλοποιημένο μαθηματικό μοντέλο για να αναλύσουν πώς επιβιώνουν οι πληθυσμοί σε τοπία που είναι επίπεδα και degenerate, λαμβάνοντας υπόψη τη φυσική επιλογή και τα γεγονότα μετάλλαξης που θα συνέβαιναν στον πραγματικό κόσμο.
Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν επιπλέον προβλέψεις και προσομοιώσεις για να εξετάσουν τις επιπτώσεις εκατοντάδων γενεών εξέλιξης και το πώς αυτές θα μπορούσαν να εκτυλιχθούν.
Από την υπόθεση της τυχαιότητας προέκυψε κάτι διαφορετικό: όταν οι οργανισμοί έφταναν στο σημείο της μέγιστης καταλληλότητας, συνέχιζαν να κινούνται κατά μήκος του προς το πιο επίπεδο σημείο, ακόμη κι όταν δεν υπήρχε «πλεονέκτημα καταλληλότητας».
Αυτή η «κατευθυντική μετατόπιση» κινείται προς περιοχές όπου τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά ενός πληθυσμού προστατεύονται καλύτερα από μεταλλάξεις και άλλες διαταραχές. Εκεί εμφανίζεται η επιβιωτική υπεροχή – στα πιο «φιλικά» σημεία του χάρτη.
«Σε ομαλές πολλαπλότητες ίσης καταλληλότητας εμφανίζεται μια έμμεση προκατάληψη, η οποία κατευθύνει τους εξελισσόμενους πληθυσμούς ντετερμινιστικά προς πιο επίπεδες περιοχές», γράφουν οι ερευνητές. «Αυτή η προκατάληψη προκύπτει από την αλληλεπίδραση μεταξύ της μεταβλητότητας του πληθυσμού και της γεωμετρίας του τοπίου.»
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι εδώ υπάρχουν σημαντικές συνέπειες για τη θεωρία της εξέλιξης. Ομάδες που εξελίσσονται μπορούν να αποκτούν robustness και resilience μέσω αυτής της κατευθυντικής μετατόπισης, σχεδόν ως παρενέργεια, χωρίς να υπάρχει κάποια συγκεκριμένη εξελικτική πίεση.
Η ερευνητική ομάδα υποστηρίζει επίσης ότι οι μικρές βιολογικές διακυμάνσεις μπορεί να είναι πιο σημαντικές απ’ ό,τι πιστευόταν μέχρι σήμερα, καθώς ίσως αποκαλύπτουν το υποκείμενο σχήμα του τοπίου καταλληλότητας και τη διαδρομή που έχει ακολουθήσει ένας πληθυσμός μέσα στην εξελικτική ιστορία του.
Πρόκειται για μια ιδέα που έχουν εξετάσει και προηγούμενες μελέτες, αλλά από λίγο διαφορετική οπτική, μέσα από την έννοια των «mutation-friendly neighborhoods» – πιο ασφαλών χώρων όπου οι γενετικές μεταβολές έχουν μικρότερο κόστος για την επιβίωση.
Μελλοντική έρευνα θα μπορούσε ενδεχομένως να συνδέσει τα ευρήματα με τα συστήματα deep learning, όπου τα νευρωνικά δίκτυα που στηρίζουν την AI δείχνουν επίσης προτίμηση για πιο επίπεδα σημεία του χάρτη.
Ενδέχεται επίσης να χρειαστεί επανεξέταση του τρόπου με τον οποίο οι επιστήμονες ερμηνεύουν τις εξελικτικές αλλαγές, ιδιαίτερα όταν αυτές φαίνονται ουδέτερες. Τα επόμενα βήματα θα είναι να επεκταθούν τα σχετικά απλά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν εδώ, ώστε να εφαρμοστούν σε πιο σύνθετους ζωντανούς οργανισμούς και οικοσυστήματα, καθώς και στη φυσική μεταβλητότητα που καταγράφεται στη φύση.
Σχετικό: Το «σκιώδες» στοιχείο στην εξέλιξη που εξηγεί γιατί η μακροζωία έχει κόστος
«Τα αποτελέσματά μας αναδεικνύουν έναν γενικό μηχανισμό μέσω του οποίου η degeneracy διαμορφώνει τα μακροπρόθεσμα εξελικτικά αποτελέσματα, επηρεάζοντας την ερμηνεία μας για τον φαινοτυπικό μεταβλητισμό, την ανθεκτικότητα και την ουδετερότητα σε βιολογικά συστήματα υψηλών διαστάσεων», γράφουν οι ερευνητές.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο PNAS.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
