Evolūcijas pamatprincips ir vienkāršs: organismiem, kuri labāk pielāgojušies izdzīvošanai un vairošanai, parasti ir priekšrocības pār citiem. Šādi organismi turpina pastāvēt, kamēr mazāk piemērotie var izzust.

Biologi šo procesu mēdz attēlot kā trīsdimensiju piemērotības “ainavu”. Tās virsotnēs atrodas organismi ar vislabāko pielāgošanos. Tomēr līdz šīm virsotnēm var nokļūt pa vairākiem ceļiem, un dažādām pazīmju kombinācijām var būt vienāds evolūcijas piemērotības līmenis.

Līdz šim pieņemts, ka šādos gadījumos evolūcija galvenokārt notiek nejauši jeb neitrāli. Taču jaunā pētījumā, kas publicēts žurnālā PNAS, Technion–Israel Institute of Technology pētnieki secina, ka tas parasti tā nav.

Vienāds piemērotības līmenis nenozīmē nejaušu kustību

“Evolūciju parasti apraksta kā piemērotības virsotņu iekarošanas procesu, kurā organismi kļūst labāk pielāgoti videi un tādējādi palielina izdzīvošanas iespējas,” skaidro biologe Naama Brennere.

Tomēr organismi reizēm saskaras ar vairākiem evolūcijas ceļiem, kas visi nodrošina vienādu piemērotības līmeni. Tas rada jautājumu: kā evolūcija izvēlas starp šiem līdzvērtīgajiem ceļiem?

Bioloģijā situāciju, kad vairāki organismi nonāk vienādos piemērotības “augstumos”, dēvē par deģenerāciju. Bioloģiskās ainavas bieži ir ļoti deģenerētas — daudzas sugas var būt aptuveni vienlīdz piemērotas, pat ja līdz šim stāvoklim nonākušas atšķirīgos veidos.

Pētnieki izveidoja vienkāršotu matemātisku modeli, lai analizētu, kā populācijas izdzīvo līdzenās un deģenerētās piemērotības ainavās. Modelī tika ņemta vērā gan dabiskā atlase, gan mutācijas, kas notiek reālās populācijās. Pēc tam ar papildu prognozēm un simulācijām tika pārbaudīts, kā evolūcija varētu norisināties simtiem paaudžu laikā.

“Virzītā dreifa” ietekme

Simulācijās parādījās atšķirīgs scenārijs nekā nejaušas pārvietošanās hipotēze. Kad organismi sasniedza maksimālo piemērotības līmeni, tie turpināja pārvietoties pa šo līmeni uz līdzenākām ainavas daļām — arī tad, ja šāda kustība pati par sevi nesniedza tiešu piemērotības priekšrocību.

Pētnieki šo procesu raksturo kā “virzītu dreifu”. Tas ved uz apgabaliem, kuros populācijas pazīnes ir labāk aizsargātas pret mutācijām un citiem traucējumiem. Tādējādi izdzīvošanas priekšrocība rodas nevis no tūlītējas labākas pielāgošanās, bet no tā, ka šīs ainavas daļas ir “piedodošākas” pret pārmaiņām.

“Uz vienādas piemērotības gludām daudzveidnēm parādās netieša tendence, kas evolucionējošās populācijas deterministiski virza uz līdzenākiem reģioniem,” raksta pētnieki. Viņuprāt, šī tendence rodas no mijiedarbības starp populācijas mainīgumu un piemērotības ainavas ģeometriju.

Atklājumam varētu būt nozīmīgas sekas evolūcijas teorijā. Populācijas var attīstīt noturību un spēju pretoties traucējumiem kā sava veida blakusparādību, pat ja uz tām neiedarbojas konkrēts spiediens šo īpašību attīstīt.

Pētījuma autori norāda arī, ka nelielas bioloģiskās variācijas varētu būt nozīmīgākas, nekā iepriekš uzskatīts. Tās var palīdzēt atklāt piemērotības ainavas iekšējo struktūru un izsekot tam, kādā veidā populācija tajā pārvietojusies evolūcijas gaitā. Līdzīga ideja iepriekš aplūkota, pētot tā dēvētos mutācijām draudzīgos “kaimiņrajonus” — drošākas telpas, kur ģenētiskās pārmaiņas rada mazāku izdzīvošanas cenu.

Pētnieki pieļauj, ka nākotnē šos secinājumus varētu sasaistīt arī ar dziļās mašīnmācīšanās sistēmām, kuru neironu tīkliem var būt līdzīga priekšroka līdzenākām “ainavas” daļām. Vienlaikus būs jāpārbauda, vai salīdzinoši vienkāršais modelis darbojas arī sarežģītākos organismos, ekosistēmās un savvaļā novērojamā dabiskajā mainībā.

Pētījuma autori secina, ka deģenerācija var būt vispārējs mehānisms, kas ietekmē ilgtermiņa evolūcijas iznākumus un liek no jauna izvērtēt fenotipisko mainību, noturību un šķietami neitrālas pārmaiņas sarežģītās bioloģiskās sistēmās.