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科学家回答了为什么很难预测一个生物的新特性的进化轨迹
科技科学
何云
2017-09-11 11:34:22
[ 采集者-中华财新客网导读 ] "适者生存" 一词使自然选择的进化原理易于理解--个体具有适应环境的特质, 更有可能通过这种特质。但正如一项新的研究所解释的, 多种因素使得预测一个特质的命运极其困难。

 "适者生存" 一词使自然选择的进化原理易于理解--个体具有适应环境的特质, 更有可能通过这种特质。但正如一项新的研究所解释的, 多种因素使得预测一个特质的命运极其困难。

改进的预测模型不仅能帮助科学家更好地模拟进化的运作方式,还能帮助科学家预防传染病。例如,疫苗制造商、流行病学家和医生都在努力预测流感、寨卡病毒、艾滋病病毒和埃博拉病毒等疾病的发展方向。

布朗大学(Brown University)生态学和进化生物学教授丹尼尔·温瑞奇(Daniel Weinreich)说,从根本上,问题在于,基因变体或等位基因所传递的一种特质,可能对一个或几代人有利,但在环境变化时没有任何优势,也不会成为一种负担。但大多数人口遗传学理论模型认为,健康仍然是不变的。

Weinreich说:“我们正在阐明许多不同的生物学环境,其中一个等位基因的适应度可能会改变它在人口中的‘一生’或‘血统’。”“我们确信,其他的环境,在某的地方是恒定的,但它却不是规则或者说规律”

该研究的主要作者、来自布朗大学的克里斯托弗·格雷夫斯(Christopher Graves)是拜耳的一名研究员。他说:“传染病在宿主内部和宿主间传播时,会经历不断变化的选择性压力,并会遇到药物和宿主免疫反应。”“了解进化如何在高度可变的选择压力下进行,将增加我们预测耐药性和疾病暴发的能力,并最终导致创造和部署更聪明的药物和疫苗战略。”

也许最明显的一个特征的适合度是变化的,不仅是随着时间的变化,而且是在空间上的变化。在一个空地上,考虑一种杂草的种群,有些可能携带一个等位基因,帮助它们在炎热的阳光下茁壮成长,而另一些则可能有一个等位基因,在阴凉的地方传递出相对优势。不仅天气模式会随着时间的变化而发生戏剧性的变化,从几天到几年,而且新的建筑可能会上升或被破坏,创造新的阴影或光照。一个预测每个等位基因的命运的模型在多维度上变得更加复杂。

另一个不同的维度是等位基因的“社会”生活。导致“作弊”的等位基因在自然界中是常见得的,但当它们很少的时候,它们是最有效的。一旦每个人都在作弊,这可能就不再是一个优势,所以随着时间的推移,这种特质可能会成为自己成功的牺牲品。此外,与合作的遗传倾向不只是翻身。论文引用了蚂蚁“警察”行为已经进化的案例,比如通过破坏“自私”的仅仅是工人的“自私”的蛋,来维护女王的至高无上的地位,或者是基因产生了抑制肿瘤细胞的肿瘤免疫能力,因为它们生长得太快了。

由于一个等位基因可能会影响另一个血统,所以在一个家族中,情况甚至会有所不同。Weinreich研究了这种细菌在抗生素耐药性的出现。他发现,一种特殊的酶的四种突变有时会增加抗药性,有时也不会,这取决于其他突变的存在或缺失。

Weinreich说,任何一种情况都可能随着时间的推移而改变,这又增加了一层复杂性,因为环境改变的速度太快。当环境变化的速度快于生物体的繁殖速率时——例如晴天或多云的天气模式,这种模式在几天内就会发生——太阳或色斑的杂草只会对它们的繁殖成功产生很小的影响。但是,如果环境变化更慢——例如,一个巨大的新建筑在几十年的时间里——阳光充足的等位基因携带者可能会从这片土地上消失,而阴暗的等位基因将完全取代另一种类型。在这种情况下,当建筑再次被拆除时,热爱阳光的杂草可能已经灭绝了。

事实上,Weinreich说,许多预测等位基因命运的模型忽略了特征可能完全消失的可能性。

与此同时,环境变化的速度与自然选择行为的速度非常相似。

在他们寻找解决方案的过程中,人口遗传学家采用了新的方法,Weinreich和Graves写道。Weinreich说,其中最令人兴奋的是,他们与生态和流行病学的合作,在这两个领域,建模的动态和复杂的变化是中心。例如,今年夏天,在加州大学圣芭芭拉(Santa Barbara)的Kavli理论物理研究所(University of California at Santa Barbara's Kavli Institute for理论物理学)举办了一个研讨会,“自然和实验室的生态进化动态”。

温瑞奇说,他计划深入研究从社会变化(如作弊者)、基因(如竞争的等位基因)或环境变化(例如,竞争的等位基因)和环境变化(例如,竞争的等位基因)和环境变化(例如,竞争的等位基因)和环境(例如,竞争的等位基因)等变化的复杂性。,天气)参数。

温瑞奇说:“生态和进化过程之间的重叠——这两件事在许多模型中被忽视的方式是非常亲密的——是前进的道路。”“这就是对模型进行关键改进所需要的。”

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