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科學家回答了為什么很難預測一個生物的新特性的進化軌跡
科技科學
何云
2017-09-11 11:34:22

 "適者生存" 一詞使自然選擇的進化原理易于理解--個體具有適應環境的特質, 更有可能通過這種特質。但正如一項新的研究所解釋的, 多種因素使得預測一個特質的命運極其困難。

改進的預測模型不僅能幫助科學家更好地模擬進化的運作方式,還能幫助科學家預防傳染病。例如,疫苗制造商、流行病學家和醫生都在努力預測流感、寨卡病毒、艾滋病病毒和埃博拉病毒等疾病的發展方向。

布朗大學(Brown University)生態學和進化生物學教授丹尼爾·溫瑞奇(Daniel Weinreich)說,從根本上,問題在于,基因變體或等位基因所傳遞的一種特質,可能對一個或幾代人有利,但在環境變化時沒有任何優勢,也不會成為一種負擔。但大多數人口遺傳學理論模型認為,健康仍然是不變的。

Weinreich說:“我們正在闡明許多不同的生物學環境,其中一個等位基因的適應度可能會改變它在人口中的‘一生’或‘血統’。”“我們確信,其他的環境,在某的地方是恒定的,但它卻不是規則或者說規律”

該研究的主要作者、來自布朗大學的克里斯托弗·格雷夫斯(Christopher Graves)是拜耳的一名研究員。他說:“傳染病在宿主內部和宿主間傳播時,會經歷不斷變化的選擇性壓力,并會遇到藥物和宿主免疫反應。”“了解進化如何在高度可變的選擇壓力下進行,將增加我們預測耐藥性和疾病暴發的能力,并最終導致創造和部署更聰明的藥物和疫苗戰略。”

也許最明顯的一個特征的適合度是變化的,不僅是隨著時間的變化,而且是在空間上的變化。在一個空地上,考慮一種雜草的種群,有些可能攜帶一個等位基因,幫助它們在炎熱的陽光下茁壯成長,而另一些則可能有一個等位基因,在陰涼的地方傳遞出相對優勢。不僅天氣模式會隨著時間的變化而發生戲劇性的變化,從幾天到幾年,而且新的建筑可能會上升或被破壞,創造新的陰影或光照。一個預測每個等位基因的命運的模型在多維度上變得更加復雜。

另一個不同的維度是等位基因的“社會”生活。導致“作弊”的等位基因在自然界中是常見得的,但當它們很少的時候,它們是最有效的。一旦每個人都在作弊,這可能就不再是一個優勢,所以隨著時間的推移,這種特質可能會成為自己成功的犧牲品。此外,與合作的遺傳傾向不只是翻身。論文引用了螞蟻“警察”行為已經進化的案例,比如通過破壞“自私”的僅僅是工人的“自私”的蛋,來維護女王的至高無上的地位,或者是基因產生了抑制腫瘤細胞的腫瘤免疫能力,因為它們生長得太快了。

由于一個等位基因可能會影響另一個血統,所以在一個家族中,情況甚至會有所不同。Weinreich研究了這種細菌在抗生素耐藥性的出現。他發現,一種特殊的酶的四種突變有時會增加抗藥性,有時也不會,這取決于其他突變的存在或缺失。

Weinreich說,任何一種情況都可能隨著時間的推移而改變,這又增加了一層復雜性,因為環境改變的速度太快。當環境變化的速度快于生物體的繁殖速率時——例如晴天或多云的天氣模式,這種模式在幾天內就會發生——太陽或色斑的雜草只會對它們的繁殖成功產生很小的影響。但是,如果環境變化更慢——例如,一個巨大的新建筑在幾十年的時間里——陽光充足的等位基因攜帶者可能會從這片土地上消失,而陰暗的等位基因將完全取代另一種類型。在這種情況下,當建筑再次被拆除時,熱愛陽光的雜草可能已經滅絕了。

事實上,Weinreich說,許多預測等位基因命運的模型忽略了特征可能完全消失的可能性。

與此同時,環境變化的速度與自然選擇行為的速度非常相似。

在他們尋找解決方案的過程中,人口遺傳學家采用了新的方法,Weinreich和Graves寫道。Weinreich說,其中最令人興奮的是,他們與生態和流行病學的合作,在這兩個領域,建模的動態和復雜的變化是中心。例如,今年夏天,在加州大學圣芭芭拉(Santa Barbara)的Kavli理論物理研究所(University of California at Santa Barbara's Kavli Institute for理論物理學)舉辦了一個研討會,“自然和實驗室的生態進化動態”。

溫瑞奇說,他計劃深入研究從社會變化(如作弊者)、基因(如競爭的等位基因)或環境變化(例如,競爭的等位基因)和環境變化(例如,競爭的等位基因)和環境變化(例如,競爭的等位基因)和環境(例如,競爭的等位基因)等變化的復雜性。,天氣)參數。

溫瑞奇說:“生態和進化過程之間的重疊——這兩件事在許多模型中被忽視的方式是非常親密的——是前進的道路。”“這就是對模型進行關鍵改進所需要的。”

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