Yaklaşık bir yüzyıl önce evrim teorisyeni Sewall Wright, dağlardan ve vadilerden oluşan bir manzara hayal etmişti. Zirveler organizmalar için yüksek evrimsel uygunluk durumlarını temsil ederken, aralarındaki çukurlar düşük uygunluk durumlarını temsil ediyordu. Organizmalar bir mutasyon süreciyle arazide ilerleyebilir, değişen genleri onların daha iyi uyum sağlamalarına yardımcı olduğundan zirvelere tırmanabilir.

Modern popülasyon genetiğinin kurucularından biri olan Wright, bariz bir paradokstan etkilenmişti: Eğer bir organizma popülasyonu küçük bir tepenin zirvesine ulaşmayı başarsaydı, orada mahsur kalacak ve daha kötü durumlarla çevreleneceklerdi. Önce aşağıdaki durgunlukları aşmadan daha yüksek zirvelere ulaşamazlardı; doğal seçilimin normalde izin vermeyeceği bir şeydi bu.

Son yüz yıl boyunca evrimsel biyologlar, her büyüklükteki popülasyonun fitness ortamlarında (bazen uyarlanabilir ortamlar olarak da adlandırılır) nasıl hareket edebildiğini keşfetmek için matematiksel modeller kullandılar ve giderek artan şekilde canlı organizmalar üzerinde laboratuvar deneyleri yaptılar. Şimdi yeni yayınlanan bir çalışma in BilimAraştırmacılar, ortak bir bakterinin çeyrek milyondan fazla versiyonunu tasarladılar ve şimdiye kadar laboratuarda inşa edilmiş en büyük uyarlanabilir manzaralardan birini yaratmak için her türün performansını planladılar. Bu onların şu soruyu sormalarını sağladı: Herhangi bir noktadan zirvelere ulaşmak ne kadar zor?

Şaşırtıcı bir şekilde, bakterilerin çoğu için engebeli fitness ortamı geçilebilir durumdaydı: Türlerin yaklaşık dörtte üçünün antibiyotik direncine giden uygun bir evrimsel yolu vardı. Bulgular, daha önceki teorik çalışmalarda da belirtildiği gibi, fitness alanındaki "vadilerden" sanıldığından daha kolay kaçınılabileceği fikrini desteklemektedir. Ayrıca bakterilerin yanı sıra belki diğer organizmaların da dahil olduğu gerçek popülasyonların doğal seçilimin baskısı altında nasıl değişebileceğinin daha iyi anlaşılmasına da kapı açıyorlar.

Onlarca yıldır, fitness alanlarını keşfetmek, öncelikle simüle edilmiş organizmalarla çalışan teorisyenlerin veya nispeten küçük ölçekte çalışan öncü deneycilerin rezerviydi. Ancak yeni makalenin arkasındaki ekip, kolay ve ucuz gen düzenleme teknolojisinin yükselişiyle birlikte, canlı organizmaları kullanarak çok geniş, uyarlanabilir bir manzara inşa edip edemeyeceklerini merak etti. Andreas WagnerZürih Üniversitesi'nde biyoloji profesörü ve yeni makalenin yazarı.

Bakterideki tek bir genin uygunluk etkilerini çizmeye karar verdiler. Escherichia coli. Bu genin kodladığı enzim olan dihidrofolat redüktaz, antibiyotik trimetoprimin hedefidir ve gendeki mutasyonlar, bakteriyi ilaca karşı dirençli hale getirebilir. Wagner ve baş yazar dahil meslektaşları Andrey PapkouZürih Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Zürih, genetik olarak farklı 260,000'den fazla suş yarattı. E. coli, her biri enzim versiyonunun fonksiyonel çekirdeğinde dokuz amino asidin farklı bir permütasyonunu kullandı.

Türleri trimetoprim varlığında büyüttüler ve hangilerinin geliştiğini takip ettiler. Verilerinin grafiği, genetik varyantların (genotiplerin) her birinin bakterilerin ilaçtan kaçmasını ne kadar iyi sağladığını temsil eden, çeşitli yüksekliklerde yüzlerce zirveden oluşan bir manzarayı ortaya çıkardı.

Daha sonra araştırmacılar, farklı türlerin evrimleşerek en yüksek zirvelere ulaşmalarının ne kadar zor olacağına baktılar. Her genotipi yüksek dirençli türlerden birine dönüştürmek için hangi dizi mutasyonun gerekli olacağını hesapladılar.

Wright'ın onlarca yıl önce tahmin ettiği gibi, bazı yollar daha fazla gelişme fırsatı bırakmayan düşük zirvelerde sona eriyordu. Ancak yolların çoğu (organizmaların her seferinde bir mutasyonla genotiplerini değiştirebildiği yollar) oldukça yüksek noktalara ulaştı.

Wagner, "Düşük zirvelerde ne sıklıkta sıkışıp kaldıklarına dair iyi istatistiklere sahibiz" dedi. “Ve bu hiç de sık değil. … Nüfusumuzun yüzde yetmiş beşi klinik olarak anlamlı antibiyotik direncine ulaşıyor.”

Bu neyle örtüşüyor Sam ScarpinoNortheastern Üniversitesi'nde Yapay Zeka + Yaşam Bilimleri direktörü olan biyolog ve hastalık modelleyicisi , beklediğini söyledi. "Tahmin ettiğimiz çok güzel bir sonuca sahipler" dedi ve şu noktayı işaret etti: yeni bir teorik makale Fitness alanlarının sağlamlığı ve gezilebilirliği arasındaki ilişkinin araştırılması. Fitness ortamları yüksek boyutlu olduğunda (çoğu insanın hayalindeki basit üç boyutun ötesine geçerek, örneğin Wagner'in çalışmasında kullanılan dokuz boyuta ulaştığında), aynı fiziksel özellikleri üreten çok farklı düzenleyici gen ağlarının birbirine yakın olma olasılığı daha yüksektir. bir manzara üzerinde birlikte veya erişilebilir bir yolla birbirine bağlanacak.

Örneğin Wagner ve Papkou, deneysel ortamlarında antibiyotik direnci açısından en yüksek zirvelerin genellikle çok geniş eğimlerin dokuz boyutlu eşdeğeriyle çevrelendiğini buldu; aslında Matterhorn'dan çok Fuji Dağı'na benziyorlardı. Sonuç olarak, birçok genotip, en yüksek kondisyon zirvelerinin yamaçlarında bir yerde başladı ve bu da bu türlerin zirveye ulaşmasını kolaylaştırdı.

Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nden teorik ekolojist James O'Dwyer, genotiplerin büyük çoğunluğunun en yüksek zirvelere çıkacağının kesin olmadığını belirtti. Ancak bu manzarada durum böyle görünüyor.

İşte bu nedenle Wagner, Papkou ve meslektaşlarının yaptığı gibi - gerçek organizmalara dayanan çok büyük - fitness ortamları oluşturmak, doğru olduğunu varsayabileceğimiz şeyler ile doğada, bizden çok daha karmaşık sistemlerde gerçekte var olan şeyler arasındaki boşluğu doldurmada önemli bir adımdır. kolayca resimleyebiliriz, dedi Ben KerrWashington Üniversitesi'nde biyoloji profesörü. "Sezgilerimizi deneyimlerimizin parçası olmayan durumlarla nasıl eşleştiririz?" dedi. “Kişinin sezgilerini yeniden eğitmesi gerekiyor. Bunu ampirik verilerle yapmak iyi bir başlangıç ​​noktasıdır.”

Wagner'in yeni makalesindeki fitness ortamı ne kadar büyük olsa da, bakterilerin yalnızca belirli bir ortamda neler yapabileceğini gösteriyor. Araştırmacılar ayrıntılardan herhangi birini değiştirirse, örneğin antibiyotiğin dozunu değiştirirse veya sıcaklığı yükseltirse, farklı bir manzara elde edeceklerdir. Her ne kadar bulgular çoğu şeyi öneriyor gibi görünse de E. coli suşlar antibiyotik direnci geliştirebilir; bu sonuç, gerçek dünyada ya çok daha az olası ya da çok daha yüksek olabilir. Kesin olan tek şey, çoğu türün muhtemelen kendi küçük başarıları tarafından geri dönülemez bir şekilde sabote edilmediğidir.

Dolayısıyla bu araştırma için sonraki ilgi çekici adımlar, deneyin peyzaj versiyonunda geçerli görünen kurallardan herhangi birinin daha genel anlamda evrensel olup olamayacağının araştırılmasını içerebilir. O'Dwyer, "Öyle olsaydı bunun altında yatan derin bir neden olurdu" dedi.

Wagner ve Papkou gelecekteki çalışmalarda manzaranın diğer versiyonlarını keşfetmeyi umuyorlar. Papkou, tek bir genin her permütasyonunu kapsamlı bir şekilde haritalandırmanın mümkün olmadığını, manzaranın neredeyse anında astronomik boyutlara ulaşacağını belirtiyor. Ancak laboratuvar ortamında oluşturulmuş manzaralar ve teorik modellerle, evrensel ilkelerin, gelişen bir varlığın çevresine tepki olarak nasıl değişebileceğini destekleyip desteklemediğini keşfetmeye başlamak bugün hâlâ mümkün olmalı.

Papkou, "Sonuç olarak şu: Darwinci evrimin optimal olmayan bir konumda başlaması ve doğal seçilimin zoruyla yüksek uygunluk zirvesine ulaşması oldukça kolaydır" dedi. “Oldukça şaşırtıcıydı.”

Kuantum izleyicilerimize daha iyi hizmet verebilmek için bir dizi anket yürütüyor. Bizimkini al biyoloji okuyucu anketi ve ücretsiz kazanmak için girileceksiniz Kuantum mal.