Science:自然選擇怎樣影響有機體的適應能力和進化

Science:自然選擇怎樣影響有機體的適應能力和進化

導語

綠色熒光蛋白最早在水母體內發現,這種蛋白在藍光或紫外線照射下,會發出綠色熒光。最近來自蘇黎世大學、聖塔菲研究所等的研究者在Science發表文章,透過對熒光蛋白的定向培養實驗,發現蛋白質的演化受到選擇壓力大小的影響。經典的達爾文進化論認為自然選擇引起生物適應性變化,進而發生進化,而這項研究則認為適應和選擇可能是同步進行的。

自然選擇的傑作隨處可見——松果球表面的油脂是為了抵禦鳥類和齧齒類動進化而來的;長頸鹿的脖子為其提供了覓食高處食物的優勢。我們知道自然選擇影響了動植物的演化,以及它們對外界環境的適應能力。

但是,自然選擇也會影響有機物分子的演化麼?能影響到什麼程度呢?

於12月4日發表在

Science

雜誌上的文章就這一問題,給出了令人驚訝的答案。該文章由供職於蘇黎世大學和聖塔菲研究所的 Andreas Wagner 所領導的研究團隊所發表,他們對一種海洋無脊椎動物的黃色熒光蛋白進行了自然選擇的實驗。

Science:自然選擇怎樣影響有機體的適應能力和進化

論文題目:

Selection enhances protein evolvability by increasing mutational robustness and foldability

論文地址:

https://science。sciencemag。org/content/370/6521/eabb5962

實驗目的是讓黃色熒光蛋白演化為綠色熒光蛋白,其中一組處於較強的環境壓力下、另一組處於較弱的環境壓力下。

該研究發現,處於較強的環境壓力下的蛋白質在這場競賽中勝出。

強自然選擇:與其優柔寡斷不如大刀闊斧

在自然界,我們會發現生物的種群中能表現出多種表現性,雖然這些生物個體的表型之間有差異,但這種差異在自然界的環境壓力下中並不具備很強的優勢,帶來的收益較少。因此,這時物種的演化並不是主要受到自然選擇的影響,而更像是在隨機演化。這一理論就被稱為

弱自然選擇(weak selection)理論

。我們可以利用弱自然選擇理論解釋這種多樣性的存在,而且演化生物學領域普遍認為弱自然選擇能增強魯棒性,從而對有機體的演化能力具有優勢。

不過 Wagner 認為,與大眾所認知的不同,在自然選擇中,並不是弱選擇具有優勢。在他們的研究中有一個意外的發現,

強自然選擇

能增強魯棒性,這才是能否成功演化的關鍵。

Science:自然選擇怎樣影響有機體的適應能力和進化

圖1:自然選擇驅動的演化,強自然選擇能讓種群演化繞過適應性的低谷,從而更快地到達魯棒性強的山頂。

適應性景觀(adaptive landscapes)

在演化理論中佔據著重要的位置。如上圖所示,橫向的座標表示的是多種性狀,而縱軸則表示適應能力的高低。

上圖假設較強的自然選擇能帶來較強適應能力,從而讓種群的演化得以繞過適應性的低谷

。這一點其實與梯度下降等函式求解演算法的改進方案類似。

實驗證明:自然選擇促進物種適應能力

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圖2:實驗流程示意圖

該實驗一共分為兩個階段。

第一階段,研究者對能表達黃色熒光蛋白的大腸桿菌進行了4代定向的演化培養,並在不同的演化壓力下對其加以篩選(以淺黃色標記)。其中,S表示的是

強自然選擇(strong selection)

,W表示的是

弱自然選擇(weak selection)

,而N則是

不做自然選擇(no selection)

。從上圖Phase I的三個表格中我們可以發現,與第一代相比,第四代的基因表現都受到了影響。

而在第二階段的綠色熒光蛋白篩選中(以淺綠色標記),實驗者僅允許0。01%的大腸桿菌透過篩選。

透過這樣的篩選實驗研究者發現,強自然選擇下的蛋白質突變也更加穩定、魯棒。生成的蛋白質也能夠高效地摺疊、表達其功能,因此強自然選擇能促進新表現型的固定。

該論文第一作者、蘇黎世大學的 Jia Zheng 認為,這樣的研究結果可以說是一個驚喜。因為結果表明,自然選擇的適應性與魯棒性並不衝突。雖然突變會損害蛋白質結構的穩定性並影響蛋白質的正確摺疊,但能增強魯棒性的突變會減輕這種影響。

魯棒性高的蛋白質能發揮其功能的機會就更多,也就能演化出新的性狀。

“據我所知,這是第一個證明了自然選擇可以促進物種適應能力的實驗。”Wagner 表示,“

雖然演化理論至今仍受人質疑,但是我們不僅從化石中看到了物種演化的痕跡,現在也在實驗室中真實地觀察到了這一現象。

長期以來,生物的演化能力本身是否能夠演化就是一個備受爭議的話題。一些人認為自然選擇並不能直接的影響到物種的演化,而是透過適應性來間接地實現物種演化。Wagner 希望他們的研究對結束這一爭議有所幫助。Wagner 說:“現在,我們認為,

適應性和自然選擇會同時存在。

Leo | 作者

劉培源 | 審校

鄧一雪 | 編輯

商務合作及投稿轉載|swarma@swarma。org

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