Возможно, эволюция не такая уж и случайная

Основы эволюции довольно просты: организмы, лучше приспособленные к выживанию и размножению, зарабатывают преимущество перед остальными. Биологи часто описывают этот процедура с помощью ландшафта приспособленности, где различным фенотипам или генотипам соответствуют разные уровни приспособленности. Однако к областям одинаково высокой приспособленности может вести некоторое количество путей, и тогда возникает вопрос: что происходит, если некоторое количество разных фенотипов обладают одинаковой приспособленностью?

Существование множества фенотипов с одинаковой приспособленностью называют вырожденностью. Такие ситуации часто связывают с нейтральной эволюцией и предполагают, что движение по ландшафту одинаковой приспособленности происходит случайным образом. Тем не менее новое исследование учёных из Израильского технологического института Технион, опубликованное в PNAS, демонстрирует с помощью математической модели, что это не обязательно так.

Исследователи построили минимальную модель эволюционной динамики на гладких вырожденных ландшафтах приспособленности, включив в неё мутации и естественный отбор. Вместо ненаправленного случайного блуждания возник иной эффект: когда популяция достигала множества состояний с оптимальной приспособленностью, динамика мутаций и отбора систематически смещала её к более плоским областям, хотя приспособленность во всех точках оставалась одинаковой. Такой «направленный дрейф» возникает из‑за взаимодействия изменчивости популяции с геометрией ландшафта приспособленности. Кривизна влияет на распределение фенотипических вариаций, а те, в свою очередь, меняют направление исследования ландшафта популяцией даже при отсутствии градиента приспособленности.

В результате популяции преимущественно смещаются к более плоским участкам ландшафта. Эти области одновременно оказываются более устойчивыми: небольшие изменения или мутации с меньшей вероятностью переводят организм в состояние с худшей приспособленностью.

Это не означает, что у эволюции есть цель или что организмы каким‑либо образом стремятся повысить устойчивость. В модели она возникает как неявное следствие стохастической динамики мутаций и отбора и геометрии ландшафта, без отдельного отбора на устойчивость.

Результаты могут изменить интерпретацию эволюционных изменений, которые выглядят нейтральными. Фенотипическая изменчивость потенциально может содержать информацию о локальной геометрии ландшафта приспособленности и об эволюционной истории популяции.

Исследователи также отмечают сходство с тенденцией к поиску более плоских областей в стохастических алгоритмах оптимизации и глубоком обучении, хотя лежащие в основе механизмы различаются.

Работа носит теоретический и вычислительный характер. В ней используется минимальная схема, а не данные реальных организмов, поэтому ещё предстоит выяснить, насколько сильно предсказанный направленный дрейф влияет на эволюцию природных популяций.