Эволюция выбирает устойчивые пути не случайно

Израильские исследователи описали механизм, при котором эволюция получает направленность даже без преимущества в приспособленности. Ключевой фактор — форма самого «ландшафта» возможных признаков.

В эволюционной биологии давно существует удобный образ: популяция движется по «ландшафту приспособленности». Высокие участки соответствуют вариантам, которые лучше выживают и оставляют больше потомства, низкие — менее успешным. Но в реальных биологических системах вершина далеко не всегда одна. Разные признаки и их сочетания могут обеспечивать практически одинаковую приспособленность.

Именно такую ситуацию рассмотрели Рази Фахарельдин и профессор Наама Бреннер из Техниона (Хайфа, Израиль). Их работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследователей интересовал простой вопрос: если несколько направлений одинаково хороши с точки зрения естественного отбора, должна ли популяция блуждать между ними случайно?

«Эволюцию обычно описывают как процесс восхождения на пики приспособленности», — объясняет Бреннер. Однако на широком плато нет очевидного подъёма: куда ни шагни, уровень приспособленности почти не меняется. В классическом представлении такое движение легко принять за нейтральный случайный дрейф.

Математическая модель показала другую картину. Даже когда градиент приспособленности исчезает, мутации и отбор взаимодействуют с геометрией самого ландшафта. Если участок сильно изогнут — похож на узкий хребет, — небольшое отклонение чаще уводит потомков в менее удачную область. На более плоском участке одинаковые по масштабу изменения гораздо реже ухудшают результат.

Из этого возникает направленный статистический эффект. Популяция постепенно смещается к областям с меньшей кривизной — более широким и «плоским». Причём никакой отдельной цели «стать устойчивее» в модели не задаётся. Устойчивость появляется как следствие динамики: варианты, находящиеся на плоской части ландшафта, лучше переносят случайные возмущения и мутации, не теряя приспособленности.

Случайность при этом никуда не исчезает. Отдельная мутация по-прежнему может возникнуть непредсказуемо. Направленность появляется на другом уровне — в долговременном движении распределения признаков всей популяции. Авторы называют это implicit bias, скрытым смещением: эволюционная динамика сама создаёт предпочтение между формально равноценными маршрутами.

Идея особенно важна для так называемых вырожденных систем, где один и тот же уровень приспособленности достигается множеством разных фенотипов. Такая множественность обычна для биологии: сложная функция организма редко зависит от единственного точного набора параметров. Поэтому вопрос о том, какие из равноценных решений сохраняются на долгом отрезке времени, напрямую связан с происхождением биологической устойчивости.

Робастность — способность системы сохранять функцию после мутаций или других нарушений — давно считается одной из центральных тем эволюционной биологии. Ранее модели нейтральных сетей уже показывали, что популяции способны накапливаться в более устойчивых частях генетического пространства. Новая работа добавляет к этой картине геометрический механизм: значение имеет не только число доступных нейтральных вариантов, но и кривизна пространства, по которому движется популяция.

Авторы подчёркивают ещё одну любопытную параллель. В машинном обучении алгоритмы также нередко приходят к «плоским минимумам», которые устойчивее к небольшим изменениям параметров и лучше обобщают данные. Результат внешне похож, хотя механизмы, как отмечают исследователи, различаются.

Работа Техниона пока остаётся теоретической: её основа — математическая модель и компьютерное моделирование, а не эксперимент с конкретным видом животных или микроорганизмов. Но именно поэтому вывод получается широким. Он предлагает общий принцип, который можно проверять в самых разных биологических системах: когда естественный отбор видит несколько равноценных дорог, форма пространства между ними сама способна придать эволюции направление.

СОВЕТ ОТ РЕДАКЦИИ

В этой работе особенно важно различать случайность отдельного события и направление большого процесса. Мутации не становятся предопределёнными — закономерность появляется только тогда, когда исследователи смотрят на движение целой популяции во времени.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.