Για δεκαετίες, οι βιολόγοι της εξέλιξης θεωρούσαν ότι οι περισσότερες γενετικές αλλαγές που εξαπλώνονται σε έναν πληθυσμό είναι ουδέτερες — ούτε χρήσιμες ούτε επιβλαβείς. Μια νέα μελέτη του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν ανατρέπει αυτή την εικόνα, αποκαλύπτοντας ότι οι ευεργετικές μεταλλάξεις είναι πολύ πιο συχνές από ό,τι προέβλεπε η παραδοσιακή θεωρία. Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική παγίδα: το περιβάλλον αλλάζει τόσο γρήγορα που πολλές από αυτές τις χρήσιμες μεταλλάξεις δεν προλαβαίνουν να εδραιωθούν.
Η Ουδέτερη Θεωρία Δοκιμάζεται
Η Ουδέτερη Θεωρία της Μοριακής Εξέλιξης, που διατυπώθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1960, αποτελεί εδώ και μισό αιώνα ένα από τα πιο σημαντικά θεμέλια της εξελικτικής βιολογίας. Σύμφωνα με αυτήν, οι περισσότερες γενετικές αλλαγές που εδραιώνονται σε επίπεδο γονιδίων και πρωτεϊνών είναι ουδέτερες. Οι επιβλαβείς μεταλλάξεις απομακρύνονται από τη φυσική επιλογή, ενώ οι πραγματικά ωφέλιμες είναι τόσο σπάνιες που η πλειονότητα των μόνιμων μοριακών αλλαγών αναμένεται να είναι ουδέτερη.
Ο εξελικτικός βιολόγος Jianzhi Zhang και η ομάδα του αποφάσισαν να εξετάσουν μια βασική υπόθεση πίσω από αυτή τη θεωρία: Είναι πραγματικά τόσο σπάνιες οι ευεργετικές μεταλλάξεις;
Τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι η απάντηση είναι «όχι».
Οι Χρήσιμες Μεταλλάξεις Είναι Εκπληκτικά Κοινές
Χρησιμοποιώντας εκτεταμένα σύνολα δεδομένων από deep mutational scanning, η ομάδα εξέτασε τις επιπτώσεις πολλών μεταλλάξεων σε οργανισμούς-μοντέλα όπως η ζύμη και το E. coli. Με τη μέτρηση της ανάπτυξης, οι ερευνητές μπορούσαν να εκτιμήσουν αν μια μετάλλαξη βοήθησε, έβλαψε ή είχε μικρή επίδραση — και τα ευρήματα ήταν εκπληκτικά.
Ανακάλυψαν ότι περισσότερο από το 1% των μεταλλάξεων που αλλάζουν αμινοξέα ήταν ευεργετικές. Αυτό μπορεί να ακούγεται μικρό, αλλά στην εξελικτική θεωρία είναι τεράστιο. Αν τόσες πολλές μεταλλάξεις είναι χρήσιμες, η ομάδα υπολόγισε ότι περισσότερο από το 99% των υποκαταστάσεων αμινοξέων θα έπρεπε να είναι προσαρμοστικές. Η γονιδιακή εξέλιξη θα έπρεπε να συμβαίνει πολύ ταχύτερα από ό,τι οι επιστήμονες παρατηρούν στη φύση.
Αυτή η ασυμφωνία ανάγκασε τους ερευνητές να επανεξετάσουν μια από τις υποθέσεις τους: το πρόβλημα, κατέληξαν, μπορεί να είναι ότι τα περιβάλλοντα δεν μένουν σταθερά.
Η Εξέλιξη Κυνηγά ένα Συνεχώς Μετακινούμενο Στόχο
Μια μετάλλαξη μπορεί να είναι χρήσιμη σε ένα περιβάλλον και επιβλαβής σε ένα άλλο. Αν το περιβάλλον αλλάξει πριν μια ευεργετική μετάλλαξη εξαπλωθεί σε ολόκληρο τον πληθυσμό, αυτή η μετάλλαξη μπορεί να χάσει το πλεονέκτημά της ή ακόμα και να γίνει επιβάρυνση.
«Λέμε ότι το αποτέλεσμα ήταν ουδέτερο, αλλά η διαδικασία δεν ήταν ουδέτερη», εξηγεί ο Zhang, καθηγητής οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν. «Το μοντέλο μας υποδηλώνει ότι οι φυσικοί πληθυσμοί δεν είναι πλήρως προσαρμοσμένοι στο περιβάλλον τους, επειδή αυτό αλλάζει πολύ γρήγορα και οι πληθυσμοί το κυνηγούν διαρκώς».
Η ομάδα αποκαλεί αυτό το πλαίσιο «Προσαρμοστική Παρακολούθηση με Ανταγωνιστική Πλειοτροπία». Με απλά λόγια, σημαίνει ότι οι πληθυσμοί ανταποκρίνονται συνεχώς σε μεταβαλλόμενες συνθήκες, ενώ πολλές μεταλλάξεις έχουν αντισταθμίσματα που εξαρτώνται από το περιβάλλον. Μια μετάλλαξη που ενισχύει την προσαρμοστικότητα σήμερα μπορεί να τη μειώσει αύριο.
Πειράματα με Ζύμη 800 Γενεών
Για να δοκιμάσουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές συνέκριναν δύο ομάδες ζύμης για 800 γενιές. Η μία ομάδα εξελίχθηκε σε σταθερό περιβάλλον. Η άλλη εξελίχθηκε σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον αποτελούμενο από 10 διαφορετικά θρεπτικά μέσα, περνώντας 80 γενιές σε κάθε μέσο.
Τα αποτελέσματα ήταν αποκαλυπτικά: η ομάδα που εκτέθηκε σε μεταβαλλόμενες συνθήκες είχε σημαντικά λιγότερες ευεργετικές μεταλλάξεις. Οι χρήσιμες μεταλλάξεις εμφανίζονταν, αλλά συχνά δεν είχαν αρκετό χρόνο να εξαπλωθούν προτού οι συνθήκες αλλάξουν ξανά.
«Εδώ προκύπτει η ασυνέπεια. Ενώ παρατηρούμε πολλές ευεργετικές μεταλλάξεις σε ένα δεδομένο περιβάλλον, αυτές δεν έχουν την ευκαιρία να εδραιωθούν, επειδή καθώς η συχνότητά τους αυξάνεται σε κάποιο επίπεδο, το περιβάλλον αλλάζει», λέει ο Zhang. «Αυτές οι ευεργετικές μεταλλάξεις στο παλιό περιβάλλον μπορεί να γίνουν επιβλαβείς στο νέο».
Γιατί η Τέλεια Προσαρμογή Μπορεί να Είναι Ανέφικτη
Τα ευρήματα υποδεικνύουν μια πιο ανήσυχη άποψη για την εξέλιξη. Αντί να βαδίζει σταθερά προς μια τέλεια εναρμόνιση των οργανισμών με το περιβάλλον τους, η εξέλιξη μοιάζει περισσότερο με ένα διαρκές κυνήγι συνθηκών που συνεχώς μεταβάλλονται.
Ο Zhang τονίζει ότι η ιδέα έχει ευρείες επιπτώσεις, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων:
«Το περιβάλλον μας έχει αλλάξει τόσο πολύ που τα γονίδιά μας μπορεί να μην είναι τα καλύτερα για το σημερινό περιβάλλον, επειδή περάσαμε από πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα. Κάποιες μεταλλάξεις ήταν ευεργετικές στα παλιά μας περιβάλλοντα, αλλά δεν ταιριάζουν με το σημερινό».
Ο βαθμός προσαρμογής που παρατηρείται σε κάθε πληθυσμό μπορεί να εξαρτάται από το πόσο πρόσφατα άλλαξε το περιβάλλον του. «Πιθανότατα δεν θα δούμε ποτέ έναν πληθυσμό που είναι πλήρως προσαρμοσμένος στο περιβάλλον του, επειδή μια πλήρης προσαρμογή θα απαιτούσε περισσότερο χρόνο από όσο σχεδόν κάθε φυσικό περιβάλλον μπορεί να παραμείνει σταθερό», καταλήγει.
Μια Ευρύτερη Αλλαγή στη Μελέτη των Μεταλλάξεων
Η Ουδέτερη Θεωρία προέκυψε σε μια κομβική στιγμή για τη βιολογία. Πριν από τη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες μελετούσαν την εξέλιξη εξετάζοντας το σχήμα, τη δομή και τα φυσικά χαρακτηριστικά των οργανισμών. Καθώς οι ερευνητές άρχισαν να αλληλουχούν πρωτεΐνες και αργότερα γονίδια, μπορούσαν πλέον να μελετήσουν την εξέλιξη σε μοριακό επίπεδο.
Η μελέτη του Μίσιγκαν δεν ακυρώνει αυτή την ιστορία. Αντίθετα, προσφέρει έναν τρόπο να συμβιβαστούν δύο παρατηρήσεις που φαίνονται αντικρουόμενες: από τη μια, πολλές μοριακές αλλαγές που εδραιώνονται εξακολουθούν να μοιάζουν ουδέτερες όταν συγκρίνονται γονιδιώματα. Από την άλλη, τα πειράματα υποδηλώνουν ότι οι ευεργετικές μεταλλάξεις μπορεί να είναι άφθονες σε ένα δεδομένο περιβάλλον. Η ομάδα του Zhang υποστηρίζει ότι και τα δύο μπορεί να ισχύουν αν οι ευεργετικές μεταλλάξεις είναι συχνά προσωρινές.
Ο Zhang σημείωσε έναν σημαντικό περιορισμό: μεγάλο μέρος των δεδομένων προήλθε από ζύμη και E. coli, μονοκύτταρους οργανισμούς. Απαιτούνται περισσότερα δεδομένα από πολυκύτταρους οργανισμούς για να διαπιστωθεί αν τα ίδια μοτίβα ισχύουν για ζώα, φυτά και ανθρώπους.
Η μελέτη, που υποστηρίχθηκε από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ και δημοσιεύθηκε στο Nature Ecology and Evolution, ανοίγει νέους ορίζοντες. Η εξέλιξη μπορεί να μην μοιάζει με μια σταθερή ανάβαση προς την τελειότητα. Μοιάζει περισσότερο με ένα αδιάκοπο τρέξιμο πίσω από έναν κόσμο που δεν σταματά να κινείται.