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2018
03-30

实验表明,长期演变是“令人惊讶的可预测的”


两只鸟争夺食物。一只鸟的喙由于随机的突变而形成,使得它稍微更擅长破碎种子。这使得这只鸟在获取更多食物的道路上,更有机会获得配偶,最重要的是传递其基因禀赋。这个人的成功就是短期进化的一个例子,这是广泛接受的达尔文自然选择过程,通过这个过程,更适应于周围环境的个体有机体占上风。

然而,近年来,一些科学家认为,自然选择不仅发生在个体有机体水平上,而且还发生在许多代的世系之间。在一项新的研究中,斯坦福生物学家已经证明,这种长期演化不仅是可能的,而且长期演化的结果可以令人惊讶地预测。

该小组建立了一个计算机模拟,其中128个蛋白质谱系不断折叠成新的形状,与其他分子竞争结合,称为配体,在每个新的配置。每种蛋白质都可以附着在配体上,配体越多,它的适应性就越高,也就是平均数量是“后代”。仿真运行了10000代。

尽管128个谱系的混沌 - 总共超过16000个单个蛋白质 - 经过数千代的变异可能看起来难以预测,而且同一个事物几乎不可能发生两次,实际上却是相反的。第一作者,斯坦福大学计算生物学家迈克尔·帕尔默(Michael Palmer)说:“尽管事情看起来很复杂,但是可能的进化轨迹还是相当受限制的。 “在任何时候,只有少数可行的突变,这使得动态变化具有可预测性和可重复性,即使是长期的。”

这项研究由斯坦福大学生物学教授Marcus Feldman和斯坦福大学研究生物学家Arnav共同撰写Moudgil最近发表在英国皇家学会界面杂志

在一些实验中,从长远来看始终处于顶峰的谱系最初并不是最适合与配体结合的谱系。 “直接的健身不是唯一重要的事情,”帕尔默说。 “是的,一个血统在短期内必须生存。但同样重要的是,如何能够长期适应新的和潜在变化的环境。“

这种情况的一个很好的例子是达尔文的着名雀类。据认为,大约一百万年前,南美种类的个体 - 也许只是一对鸟类 - 最终落在了加拉帕戈斯群岛上。今天,他们的后代已经多样化了大约15个现代物种。一些吃种子,一些吃昆虫或花。有的吃蜱,甚至喝其他鸟的血。

Palmer说:“如果有一场灾难消除了其中一个食物来源,它可能会消灭15种中的一种或多种,​​但其他种系 - 这种最初的一对鸟的后代 - 将会持续下去。 。 “现在说有一个竞争的种子,在破解种子方面非常出色,但由于一些先前的遗传限制,无法进化到其他饮食。同样的灾难可能会把它消灭掉。“

这个发现和其他类似的发现可能代表着生物学家观点的重大转变。一方面,这意味着在某些情况下,科学家应该超越个体有机体的细节,因为进化的动力学可以精确地理解为谱系选择。 2882​​1660

它也涉及物种的基因组结构,或如何在谱系层面组织基因组。虽然谱系的基因组可能主要是为了让个体在短期内存活而选择一组特定的特征,但为了竞争其他谱系,它还必须能够长期适应新的条件。帕尔默说:“一个人可以有一个幸运的突变,产生立即适应。 “或者一个血统可以有一个幸运的变异,恰好定位它 适应下一千代的环境。一个单一的突变可以有一个明显的短期和长期的适应性。“作者认为,这项工作可以在微生物中复制,现在希望微生物学家将体外应用新的选择指标。

帕尔默说:“体外已经有一些证据表明进化轨迹有很多限制,我们认为我们已经提出了一个很好的框架来量化进化可预测性和长期适应性。”

来源:斯坦福大学