Οι θεωρητικοί συζητούν πόσο «ουδέτερη» είναι πραγματικά η εξέλιξη

Όταν ο Κάρολος Δαρβίνος διατύπωσε τη θεωρία του για την εξέλιξη μέσω φυσικής επιλογής στο On the Origin of Species το 1859, εστίασε στις προσαρμογές - τις αλλαγές που επιτρέπουν στους οργανισμούς να επιβιώσουν σε νέα ή μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Η επιλογή για ευνοϊκές προσαρμογές, πρότεινε, επέτρεψε στις αρχαίες προγονικές μορφές να διαφοροποιηθούν σταδιακά σε αμέτρητα είδη.

Αυτή η ιδέα ήταν τόσο ισχυρή που θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι η εξέλιξη έχει να κάνει με την προσαρμογή. Επομένως, μπορεί να εκπλήσσει το γεγονός ότι για μισό αιώνα, η επικρατούσα άποψη στους ακαδημαϊκούς κύκλους ήταν ότι δεν είναι.

Η επιλογή δεν αμφισβητείται, αλλά πολλοί επιστήμονες έχουν υποστηρίξει ότι οι περισσότερες εξελικτικές αλλαγές εμφανίζονται στο επίπεδο του γονιδιώματος και είναι ουσιαστικά τυχαίες και ουδέτερες. Οι προσαρμοστικές αλλαγές καλλωπισμένες από τη φυσική επιλογή θα μπορούσαν πράγματι να σμιλεύσουν ένα πτερύγιο σε ένα πρωτόγονο πόδι, είπαν, αλλά αυτές οι αλλαγές συνεισφέρουν ελάχιστα στην εξελικτική διαδικασία, στην οποία η σύνθεση του DNA ποικίλλει συχνότερα χωρίς πραγματικές συνέπειες.

Αλλά τώρα ορισμένοι επιστήμονες αντιτάσσονται σε αυτήν την ιδέα, γνωστή ως ουδέτερη θεωρία, λέγοντας ότι τα γονιδιώματα δείχνουν πολύ περισσότερα στοιχεία εξελιγμένης προσαρμογής από ό,τι θα υπαγόρευε η θεωρία. Αυτή η συζήτηση είναι σημαντική γιατί επηρεάζει την κατανόησή μας για τους μηχανισμούς που δημιουργούν βιοποικιλότητα, τα συμπεράσματά μας για το πώς τα μεγέθη των φυσικών πληθυσμών έχουν αλλάξει με την πάροδο του χρόνου και την ικανότητά μας να ανασυνθέτουμε την εξελικτική ιστορία των ειδών (συμπεριλαμβανομένης της δικής μας). Αυτό που βρίσκεται στο μέλλον μπορεί να είναι μια νέα εποχή που αντλεί από τα καλύτερα της ουδέτερης θεωρίας, ενώ αναγνωρίζει επίσης την πραγματική, εμπειρικά υποστηριζόμενη επιρροή της επιλογής.

Ένα "Σημαντικό κλάσμα" παραλλαγής

Η βασική αντίληψη του Δαρβίνου ήταν ότι οι οργανισμοί με μειονεκτήματα θα εξαλείφονταν σιγά-σιγά μέσω αρνητικής (ή καθαριστικής) επιλογής, ενώ εκείνοι με πλεονεκτικά χαρακτηριστικά θα αναπαράγονταν πιο συχνά και θα περνούσαν αυτά τα χαρακτηριστικά στην επόμενη γενιά (θετική επιλογή). Η επιλογή θα βοηθούσε στη διάδοση και τη βελτίωση αυτών των πολύτιμων χαρακτηριστικών. Για το μεγαλύτερο μέρος του πρώτου μισού του 20ού αιώνα, οι γενετιστές πληθυσμού απέδωσαν σε μεγάλο βαθμό τις γενετικές διαφορές μεταξύ πληθυσμών και ειδών στην προσαρμογή μέσω της θετικής επιλογής.

Αλλά το 1968, ο διάσημος γενετιστής πληθυσμού Motoo Kimura αντιστάθηκε στην προοπτική της προσαρμοστικότητας με την ουδέτερη θεωρία του για τη μοριακή εξέλιξη. Εν συντομία, υποστήριξε ότι ένα «αισθητό κλάσμα» της γενετικής διαφοροποίησης εντός και μεταξύ των ειδών είναι αποτέλεσμα γενετικής μετατόπισης —δηλαδή των επιπτώσεων της τυχαιότητας σε έναν πεπερασμένο πληθυσμό— και όχι της φυσικής επιλογής, και ότι οι περισσότερες από αυτές τις διαφορές δεν έχουν λειτουργικές συνέπειες για την επιβίωση και την αναπαραγωγή.

Το επόμενο έτος, οι βιολόγοι Jack Lester King και Thomas Jukes δημοσίευσαν το «Non-Darwinian Evolution», ένα άρθρο που υπογράμμιζε επίσης τη σημασία των τυχαίων γενετικών αλλαγών στην πορεία της εξέλιξης. Στη συνέχεια προέκυψε μια πολωμένη συζήτηση μεταξύ των νέων ουδετερών και των πιο παραδοσιακών προσαρμοστών. Αν και όλοι συμφώνησαν ότι η καθαριστική επιλογή θα εξαλείφει τις επιβλαβείς μεταλλάξεις, οι ουδετεριστές ήταν πεπεισμένοι ότι η γενετική μετατόπιση ευθύνεται για τις περισσότερες διαφορές μεταξύ πληθυσμών ή ειδών, ενώ οι προσαρμοστικοί τους απέδωσαν στη θετική επιλογή για προσαρμοστικά χαρακτηριστικά.

Μεγάλο μέρος της συζήτησης έχει εξαρτηθεί από το τι ακριβώς εννοούσε ο Kimura με τον όρο «σημαντικό κλάσμα» γενετικής παραλλαγής, σύμφωνα με τον Jeffrey Townsend, βιοστατολόγο και καθηγητή εξελικτικής βιολογίας στη Σχολή Δημόσιας Υγείας του Yale. «Είναι αυτό το 50 τοις εκατό; Είναι 5 τοις εκατό, 0,5 τοις εκατό; Δεν ξέρω», είπε. Επειδή η αρχική δήλωση του Kimura για τη θεωρία ήταν ποιοτική παρά ποσοτική, "η θεωρία του δεν μπορούσε να ακυρωθεί από μεταγενέστερα δεδομένα."

Ωστόσο, η ουδέτερη θεωρία υιοθετήθηκε γρήγορα από πολλούς βιολόγους. Αυτό ήταν εν μέρει αποτέλεσμα της φήμης του Kimura ως ενός από τους πιο εξέχοντες θεωρητικούς γενετιστές πληθυσμού της εποχής, αλλά βοήθησε επίσης στο ότι τα μαθηματικά της θεωρίας ήταν σχετικά απλά και διαισθητικά. «Ένας από τους λόγους για τη δημοτικότητα της ουδέτερης θεωρίας ήταν ότι έκανε τα πράγματα πολύ πιο εύκολα», είπε ο Andrew Kern, πληθυσμιακός γενετιστής τώρα στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον, ο οποίος συνέβαλε σε ένα άρθρο με τον Matthew Hahn, έναν πληθυσμιακό γενετιστή στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα. , σε ένα ειδικό τεύχος του Molecular Biology and Evolution γιορτάζοντας την 50ή επέτειο της ουδέτερης θεωρίας.

Για να εφαρμόσετε ένα ουδέτερο μοντέλο εξέλιξης σε έναν πληθυσμό, εξήγησε ο Hahn, δεν χρειάζεται να γνωρίζετε πόσο ισχυρή είναι η επιλογή, πόσο μεγάλος είναι ο πληθυσμός, εάν οι μεταλλάξεις είναι κυρίαρχες ή υπολειπόμενες ή εάν οι μεταλλάξεις αλληλεπιδρούν με άλλες μεταλλάξεις. Στην ουδέτερη θεωρία, "όλες αυτές οι πολύ δύσκολες παράμετροι προς εκτίμηση εξαφανίζονται."

Το μόνο βασικό στοιχείο που απαιτείται από το ουδέτερο μοντέλο είναι το γινόμενο του μεγέθους του πληθυσμού και του ρυθμού μετάλλαξης ανά γενιά. Από αυτές τις πληροφορίες, το ουδέτερο μοντέλο μπορεί να προβλέψει πώς θα αλλάξει η συχνότητα των μεταλλάξεων στον πληθυσμό με την πάροδο του χρόνου. Λόγω της απλότητάς του, πολλοί ερευνητές υιοθέτησαν το ουδέτερο μοντέλο ως ένα βολικό "μηδενικό μοντέλο" ή προεπιλεγμένη εξήγηση για τα μοτίβα γενετικής παραλλαγής που παρατήρησαν.

Ωστόσο, ορισμένοι γενετιστές πληθυσμού δεν πείστηκαν από το επιχείρημα του Kimura. Για παράδειγμα, ο John Gillespie, ένας θεωρητικός γενετιστής πληθυσμού στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Ντέιβις (και ο διδακτορικός σύμβουλος του Kern), έδειξε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 ότι ορισμένα μοντέλα που βασίζονται στη φυσική επιλογή θα μπορούσαν να εξηγήσουν πρότυπα που παρατηρούνται στη φύση καθώς και ουδέτερα μοντέλα, αν όχι καλύτερα.

Πιο θεμελιωδώς, ακόμη και όταν δεν υπάρχουν αρκετά δεδομένα για να καταρρίψει ένα μηδενικό μοντέλο ουδέτερης θεωρίας, δεν σημαίνει ότι η φυσική επιλογή δεν συμβαίνει, δήλωσε η Rebekah Rogers, μια εξελικτική γενετιστής στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, Charlotte. "Κάθε φορά που έχετε περιορισμένα δεδομένα, τα επιχειρήματα γίνονται πραγματικά άγρια", είπε.

Για δεκαετίες, αυτή ήταν η ουσία του προβλήματος:ο Kimura είχε προτείνει ουδέτερη θεωρία σε μια εποχή πριν η φθηνή τεχνολογία προσδιορισμού αλληλουχίας και η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης ήταν διαθέσιμη, όταν τα δεδομένα της γονιδιακής αλληλουχίας ήταν αραιά. Δεν υπήρχε απλός τρόπος για να αποδείξουμε ή να απορρίψουμε γενικά τις αρχές του, εκτός από θεωρητικούς λόγους, επειδή δεν γνωρίζαμε αρκετά για τη γονιδιωματική παραλλαγή για να επιλύσουμε τη διαφορά.

Δυνατά συναισθήματα για την ουδετερότητα

Σήμερα, 50 χρόνια μετά το άρθρο του Kimura, η πιο προσιτή γονιδιωματική αλληλουχία και οι εξελιγμένες στατιστικές μέθοδοι επιτρέπουν στους εξελικτικούς θεωρητικούς να κάνουν πρόοδο στην ποσοτικοποίηση της συμβολής της προσαρμοστικής παραλλαγής και της ουδέτερης εξέλιξης στις διαφορές των ειδών. Σε είδη όπως ο άνθρωπος και οι μύγες των φρούτων, τα δεδομένα αποκάλυψαν εκτεταμένη επιλογή και προσαρμογή, η οποία οδήγησε σε ισχυρή αντίδραση ενάντια στην αρχική ιδέα του Kimura, τουλάχιστον από ορισμένους ερευνητές.

«Η πανταχού παρουσία της προσαρμοστικής παραλλαγής τόσο εντός όσο και μεταξύ των ειδών σημαίνει ότι πρέπει να αναζητηθεί μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία της μοριακής εξέλιξης», έγραψαν οι Kern και Hahn στο πρόσφατο άρθρο τους.

Αν και η συντριπτική πλειονότητα των ερευνητών συμφωνεί ότι η αυστηρή ουδετερότητα όπως διατυπώθηκε αρχικά είναι ψευδής, πολλοί επισημαίνουν επίσης ότι οι βελτιώσεις της ουδέτερης θεωρίας έχουν αντιμετωπίσει τις αδυναμίες της. Ένα από τα αρχικά μειονεκτήματα ήταν ότι η ουδέτερη θεωρία δεν μπορούσε να εξηγήσει τα διαφορετικά μοτίβα της εξέλιξης του γονιδιώματος που παρατηρήθηκαν μεταξύ ειδών με διαφορετικά μεγέθη πληθυσμού. Για παράδειγμα, τα είδη με μικρότερο πληθυσμό έχουν κατά μέσο όρο περισσότερες επιβλαβείς μεταλλάξεις.

Για να το αντιμετωπίσει αυτό, ένας από τους μαθητές του Kimura, ο Tomoko Ohta, τώρα ομότιμος καθηγητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Γενετικής της Ιαπωνίας, πρότεινε τη σχεδόν ουδέτερη θεωρία της μοριακής εξέλιξης το 1973. Αυτή η τροποποιημένη εκδοχή της ουδέτερης θεωρίας υποδηλώνει ότι πολλές μεταλλάξεις δεν είναι αυστηρά ουδέτερες, αλλά ελαφρώς επιβλαβής. Η Ohta υποστήριξε ότι εάν τα μεγέθη του πληθυσμού είναι αρκετά μεγάλα, η επιλογή καθαρισμού θα τους εξαλείψει ακόμη και από ελαφρώς επιβλαβείς μεταλλάξεις. Σε μικρούς πληθυσμούς, ωστόσο, η επιλογή καθαρισμού είναι λιγότερο αποτελεσματική και επιτρέπει στις ελαφρώς επιβλαβείς μεταλλάξεις να συμπεριφέρονται ουδέτερα.

Η σχεδόν ουδέτερη θεωρία είχε επίσης προβλήματα, είπε ο Kern:Δεν εξήγησε, για παράδειγμα, γιατί ο ρυθμός εξέλιξης ποικίλλει όπως παρατηρείται μεταξύ των διαφορετικών γενεών οργανισμών. Ως απάντηση σε τέτοιες προκλήσεις, η Ohta και ο Hidenori Tachida, τώρα καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Kyushu, ανέπτυξαν μια άλλη παραλλαγή του σχεδόν ουδέτερου μοντέλου το 1990.

Οι απόψεις σχετικά με τη θέση της σχεδόν ουδέτερης θεωρίας μπορεί ακόμα να διαφέρουν έντονα. «Οι προβλέψεις της σχεδόν ουδέτερης θεωρίας έχουν επιβεβαιωθεί πολύ καλά», είπε ο Jianzhi Zhang, ο οποίος μελετά την εξέλιξη των γονιδιωμάτων στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και συνέβαλε επίσης στο ειδικό τεύχος Molecular Biology and Evolution .

Ο Kern και ο Hahn διαφωνούν:Η σχεδόν ουδέτερη θεωρία "δεν εξήγησε πολλά από την αρχή και στη συνέχεια ανακατεύτηκε σε προσπάθειες να σωθεί μια ελκυστική ιδέα από τη σκληρή λάμψη των δεδομένων", έγραψε ο Kern σε ένα email.

Πόσο εξελίσσεται ουδέτερα;

Για τον Τάουνσεντ, η συνεχιζόμενη συζήτηση μεταξύ ουδετεριστών και επιλεκτικών δεν είναι ιδιαίτερα γόνιμη. Αντίθετα, είπε, «είναι απλώς ένα ποσοτικό ερώτημα για το πόση επιλογή γίνεται. Και αυτό περιλαμβάνει ορισμένους ιστότοπους που είναι εντελώς ουδέτεροι και μερικούς ιστότοπους που έχουν επιλεγεί μέτρια και μερικούς ιστότοπους που είναι πραγματικά έντονα επιλεγμένοι. Υπάρχει μια ολόκληρη διανομή εκεί."

Όταν ο Τάουνσεντ ξεκίνησε για πρώτη φορά να μελετά τον καρκίνο πριν από περίπου μια δεκαετία, αφού εκπαιδεύτηκε ως εξελικτικός βιολόγος, είδε ότι οι βιολόγοι του καρκίνου είχαν αρχίσει να μελετούν τις μεταλλάξεις σε ένα επίπεδο λεπτομέρειας που θα μπορούσε να αποκαλύψει πληροφορίες σχετικά με τα ποσοστά μετάλλαξης σε μεμονωμένες θέσεις στο γονιδίωμα. Αυτές είναι πολύτιμες πληροφορίες που οι περισσότεροι γενετιστές πληθυσμού δεν λαμβάνουν από τους άγριους πληθυσμούς που μελετούν. Ωστόσο, λίγοι βιολόγοι του καρκίνου μελετούν τη φυσική επιλογή και αυτό είναι που έφερε ο Τάουνσεντ στον τομέα του καρκίνου με το υπόβαθρό του στην εξελικτική βιολογία.

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στα τέλη Οκτωβρίου στο Journal of the National Cancer Institute , ο Townsend και οι συνάδελφοί του στο Yale παρουσίασαν τα αποτελέσματα της εξελικτικής τους ανάλυσης των μεταλλάξεων σε καρκίνους. «Αυτό που μπορέσαμε να κάνουμε είναι στην πραγματικότητα να ποσοτικοποιήσουμε, ανά τοποθεσία, ποιες είναι οι εντάσεις επιλογής διαφορετικών μεταλλάξεων», είπε. Τα καρκινικά κύτταρα είναι γεμάτα μεταλλάξεις, αλλά μόνο ένα μικρό υποσύνολο αυτών είναι λειτουργικά σημαντικά για τον καρκίνο. Οι εντάσεις επιλογής αποκαλύπτουν πόσο σημαντικές είναι οι διαφορετικές μεταλλάξεις για την ώθηση της ανάπτυξης σε μια μεμονωμένη περίπτωση καρκίνου — και επομένως ποιες θα ήταν πιο ελπιδοφόρες ως θεραπευτικοί στόχοι.

«Αυτός ο ποσοτικός προσδιορισμός της έντασης επιλογής είναι απολύτως απαραίτητος, νομίζω, για να καθοδηγήσει τον τρόπο αντιμετώπισης του καρκίνου», είπε ο Τάουνσεντ. «Το θέμα μου είναι ότι οι γιατροί σήμερα αντιμετωπίζουν το ερώτημα:Ποιο φάρμακο πρέπει να δώσω σε αυτόν τον ασθενή; Και δεν έχουν ποσοτικοποίηση του πόσο σημαντικές είναι στην πραγματικότητα οι μεταλλάξεις που στοχεύουν αυτά τα φάρμακα». Κάποτε, ελπίζει ο Townsend, αυτό το εξελικτικό πλαίσιο θα προσφέρει μια γενετική βάση για την επιλογή του σωστού φαρμάκου και ακόμη και την πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο ένας συγκεκριμένος όγκος μπορεί να αναπτύξει αντίσταση σε μια θεραπεία.

Αν και ο εντοπισμός των μεταλλάξεων που υφίστανται την ισχυρότερη επιλογή είναι σαφώς χρήσιμος και σημαντικός, η επιλογή μπορεί επίσης να έχει ανεπαίσθητες αλλά σημαντικές έμμεσες επιπτώσεις σε περιοχές του γονιδιώματος που γειτνιάζουν με τον στόχο επιλογής.

Ο πρώτος υπαινιγμός αυτών των έμμεσων επιδράσεων ήρθε στις δεκαετίες του 1980 και του 1990 με την εμφάνιση της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης, μια τεχνική που επέτρεψε στους ερευνητές να εξετάσουν τη διακύμανση σε επίπεδο νουκλεοτιδίων σε αλληλουχίες γονιδίων για πρώτη φορά. Ένα πράγμα που ανακάλυψαν ήταν μια προφανής συσχέτιση μεταξύ του επιπέδου γενετικής διαφοροποίησης και του ρυθμού ανασυνδυασμού σε οποιαδήποτε καθορισμένη περιοχή του γονιδιώματος.

Ο ανασυνδυασμός είναι μια διαδικασία κατά την οποία τα μητρικά και πατρικά αντίγραφα των χρωμοσωμάτων ανταλλάσσουν μπλοκ DNA μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της μείωσης, της παραγωγής σπέρματος και ωαρίων. Αυτοί οι ανασυνδυασμοί ανακατεύουν τη γενετική παραλλαγή σε όλο το γονιδίωμα, διασπώντας αλληλόμορφα που μπορεί να ήταν στο παρελθόν μαζί.

Μέχρι το 2005, οι ερευνητές μπορούσαν να λάβουν δεδομένα ολόκληρου του γονιδιώματος από διάφορους οργανισμούς και άρχισαν να βρίσκουν αυτή την προφανή συσχέτιση μεταξύ των επιπέδων γενετικής διαφοροποίησης και των ρυθμών ανασυνδυασμού παντού, είπε ο Kern. Αυτή η συσχέτιση σήμαινε ότι δυνάμεις πέρα ​​από την άμεση επιλογή καθαρισμού και την ουδέτερη μετατόπιση δημιουργούσαν διαφορές στα επίπεδα διακύμανσης στο γονιδιωματικό τοπίο.

Ο Kern υποστηρίζει ότι οι διαφορές στους ρυθμούς ανασυνδυασμού στο γονιδίωμα αποκαλύπτουν ένα φαινόμενο που ονομάζεται γενετικό ωτοστόπ. Όταν τα ωφέλιμα αλληλόμορφα συνδέονται στενά με γειτονικές ουδέτερες μεταλλάξεις, η φυσική επιλογή τείνει να ενεργεί σε όλες ως μονάδα.

Το γενετικό ωτοστόπ σήμαινε ότι οι εξελικτικοί γενετιστές είχαν ξαφνικά μια εντελώς νέα δύναμη που ονομάζεται συνδεδεμένη επιλογή για να ανησυχούν, είπε ο Kern. Εάν μόνο το 10 τοις εκατό του γονιδιώματος βρίσκεται υπό άμεση επιλογή σε έναν πληθυσμό, τότε η συνδεδεμένη επιλογή σημαίνει ότι ένα πολύ μεγαλύτερο ποσοστό — ίσως 30 ή 40 τοις εκατό — μπορεί να δείξει τα αποτελέσματά του.

Και αν αυτό είναι αλήθεια, τότε η επιλογή για προσαρμοστικές παραλλαγές διαμορφώνει έμμεσα γειτονικές γονιδιωματικές περιοχές, οδηγώντας σε «μια κατάσταση όπου τα ουδέτερα αλληλόμορφα έχουν τις συχνότητές τους που καθορίζονται από κάτι περισσότερο από γενετική μετατόπιση και αντί αυτού έχουν ένα νέο στρώμα στοχαστικότητας που προκαλείται από την επιλογή», ​​εξήγησε ο Kern. μέσω email:Η συνδεδεμένη επιλογή θα παρήγαγε μεγαλύτερη διακύμανση μεταξύ των γενεών από ό,τι θα περίμενε κανείς υπό την ουδετερότητα.

Ο Zhang επισημαίνει ότι οι συνδεδεμένες ουδέτερες μεταλλάξεις εξακολουθούν να είναι ουδέτερες. Μπορεί να κάνουν ωτοστόπ με ευεργετικά αλληλόμορφα, αλλά αυτή η σύνδεση είναι τυχαία - θα μπορούσαν εύκολα να συνδεθούν με επιβλαβή αλληλόμορφα και να εξαλειφθούν μέσω της «επιλογής υποβάθρου». Έτσι, η μοίρα των ουδέτερων μεταλλάξεων εξακολουθεί να καθορίζεται τυχαία.

Ο Kern συμφωνεί:Οι ουδέτερες μεταλλάξεις είναι ακόμα ουδέτερες — αλλά δεν συμπεριφέρονται όπως θα προέβλεπε η ουδέτερη θεωρία. Ο καθαρισμός της επιλογής σε συνδεδεμένες τοποθεσίες, έγραψε, θα «προσέθετε θόρυβο στις συχνότητες των αλληλόμορφων πέρα ​​από τη μετατόπιση», ενώ η επιλογή φόντου και το ωτοστόπ θα οδηγούσαν σε λιγότερη γενετική διαφοροποίηση από ό,τι σε περίπτωση ουδετερότητας.

Ουδέτερα μοντέλα και ανθρώπινη εξέλιξη

«Ενώ τα ουδέτερα μοντέλα έχουν αναμφίβολα αποδώσει τεράστιους θεωρητικούς καρπούς… η ερμηνευτική δύναμη της ουδέτερης θεωρίας δεν ήταν ποτέ εξαιρετική», έγραψαν οι Kern και Hahn στην εργασία τους. "Πέντε δεκαετίες μετά την πρότασή της, στην εποχή της φθηνής αλληλουχίας γονιδιώματος και των τεράστιων συνόλων γονιδιωματικών δεδομένων πληθυσμού, η επεξηγηματική δύναμη της ουδέτερης θεωρίας φαίνεται ακόμη χειρότερη."

Στους ανθρώπους, τα πρόσφατα στοιχεία δείχνουν ότι «υπάρχει πολύ περισσότερη προσαρμογή από ό,τι πιστεύαμε ποτέ ότι υπήρχε», είπε ο Kern. Η πρόσφατη ανθρώπινη εξέλιξη είναι σε μεγάλο βαθμό μια ιστορία μεταναστεύσεων σε νέες γεωγραφικές τοποθεσίες όπου οι άνθρωποι αντιμετώπισαν νέα κλίματα και παθογόνα στα οποία έπρεπε να προσαρμοστούν. Το 2017, ο Kern δημοσίευσε μια εργασία που δείχνει ότι οι περισσότερες ανθρώπινες προσαρμογές προέκυψαν από υπάρχουσες γενετικές παραλλαγές στο γονιδίωμα και όχι από νέες μεταλλάξεις που εξαπλώθηκαν γρήγορα στον πληθυσμό.

Ακόμα κι έτσι, μόνο περίπου το 1 τοις εκατό του ανθρώπινου γονιδιώματος κωδικοποιεί πραγματικά πρωτεΐνες, δήλωσε ο Omar Cornejo, ένας εξελικτικός γονιδιωματικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. Ίσως περίπου το 20 τοις εκατό του γονιδιώματος ρυθμίζει πότε και πού εκφράζονται αυτές οι κωδικοποιητικές περιοχές. Αλλά αυτό εξακολουθεί να αφήνει περίπου το 80 τοις εκατό του γονιδιώματος με άγνωστη λειτουργία.

Τμήματα αυτού του μη κωδικοποιητικού τμήματος του γονιδιώματος είναι γεμάτα με επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA, που προκαλούνται από μετατιθέμενα γενετικά στοιχεία ή τρανσποζόνια, τα οποία αντιγράφονται και εισάγονται σε όλο το γονιδίωμα. Σύμφωνα με την Irina Arkhipova, μια μοριακή εξελικτική γενετίστρια που μελετά τον ρόλο των τρανσποζονίων στο Θαλάσσιο Βιολογικό Εργαστήριο στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, «αυτό το τμήμα του γονιδιώματος είναι ουσιαστικά ουδέτερο με την έννοια του Kimura», ακόμα κι αν κάποιο μέρος αυτών των τρανσποζονίων επηρεάζει την έκφραση γονιδίων. Εξαιτίας αυτού, τα ουδέτερα μοντέλα που εφαρμόζονται στις μη λειτουργικές περιοχές του γονιδιώματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να συναχθεί η δημογραφική ιστορία των ανθρώπινων πληθυσμών (και μιας ποικιλίας άλλων οργανισμών) με μεγάλη ακρίβεια, είπε ο Cornejo.

Ο Κερν διαφωνεί. «Θα υποστήριζα ότι δεν έχουμε ιδέα εάν υπολογίζουμε με ακρίβεια την ανθρώπινη δημογραφική ιστορία», έγραψε σε ένα email. Εάν προσομοιώσετε υπολογιστικά έναν πληθυσμό που εξελίσσεται ουδέτερα, τότε οι μέθοδοι για την εκτίμηση της δημογραφίας θα λειτουργήσουν. αλλά εισάγετε τη συνδεδεμένη επιλογή και αυτές οι μέθοδοι αποτυγχάνουν.

Ο Kern είναι αγνωστικιστής σχετικά με το ποσοστό του ανθρώπινου γονιδιώματος που είναι λειτουργικό, αλλά πιστεύει ότι η γενετική σύνδεση αγγίζει ένα μεγάλο - αλλά άγνωστο - κλάσμα του γονιδιώματος. Με τα συσσωρευμένα στοιχεία για προσαρμογή στο ανθρώπινο γονιδίωμα, φαίνεται πιθανό ότι κάποιο μεγάλο κλάσμα του γονιδιώματος θα υπόκειται στις επιπτώσεις της συνδεδεμένης επιλογής, πρότεινε. "Απλώς δεν ξέρουμε πόσο μεγάλο είναι αυτό το κλάσμα."

Μια πρόσφατη εργασία στο eLife από τη Fanny Pouyet και τους υπολογιστικούς-γενετικούς συναδέλφους της στο Πανεπιστήμιο της Βέρνης και στο Ελβετικό Ινστιτούτο Βιοπληροφορικής εντοπίζει αυτόν τον αριθμό. «Έως και το 80-85 τοις εκατό του ανθρώπινου γονιδιώματος επηρεάζεται πιθανώς από την επιλογή υποβάθρου», έγραψαν οι συγγραφείς.

Αφού εξέτασαν επιπλέον προκατειλημμένες αλλαγές στα γονίδια που μπορεί να εισάγει ο ανασυνδυασμός κατά την επισκευή του DNA, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι λιγότερο από το 5 τοις εκατό του ανθρώπινου γονιδιώματος εξελίχθηκε μόνο τυχαία. Ως συντάκτες του eLife σημείωσαν στην περίληψη της εργασίας τους, "Αυτό υποδηλώνει ότι ενώ το μεγαλύτερο μέρος του γενετικού μας υλικού αποτελείται από μη λειτουργικές αλληλουχίες, η συντριπτική πλειονότητά του εξελίσσεται έμμεσα κάτω από κάποιο είδος επιλογής."

Είναι πιθανό ότι αυτή η εκτίμηση μπορεί να αυξηθεί ακόμη περισσότερο καθώς οι βιολόγοι μαθαίνουν να αναγνωρίζουν πιο λεπτές υποδείξεις επιλογής. Το νέο σύνορο στη γονιδιωματική του πληθυσμού εστιάζει σε χαρακτηριστικά όπως το ύψος, το χρώμα του δέρματος και η αρτηριακή πίεση (μεταξύ πολλών άλλων) που είναι πολυγονιδιακά, που σημαίνει ότι προκύπτουν από εκατοντάδες ή χιλιάδες γονίδια που δρουν συντονισμένα. Η επιλογή για μεγαλύτερο ύψος, για παράδειγμα, απαιτεί συσσώρευση αλλαγών σε έναν αριθμό διεσπαρμένων γονιδίων για να έχει αποτέλεσμα. Ομοίως, όταν οι αγρότες επιλέγουν στελέχη καλαμποκιού για υψηλότερες αποδόσεις, ο αντίκτυπος εμφανίζεται γενικά σε πολλά γονίδια ταυτόχρονα.

Αλλά η ανίχνευση πολυγονιδιακών προσαρμογών σε φυσικούς πληθυσμούς είναι μια «πολύ δύσκολη υπόθεση», σύμφωνα με τον Kern, επειδή αυτά τα πλήθη γονιδίων είναι πιθανό να αλληλεπιδρούν με πολύπλοκους, μη γραμμικούς τρόπους. Οι στατιστικές μέθοδοι για τον εντοπισμό αυτών των σειρών αλλαγών μόλις αρχίζουν να αναπτύσσονται. Για τον Kern, θα περιλαμβάνει την εκμάθηση να εκτιμά «μια εντελώς άλλη γεύση» προσαρμογής, επειδή θα περιλαμβάνει πολλές μικρές αλλαγές στις μεμονωμένες συχνότητες μεταλλάξεων που έχουν συλλογική σημασία για τη φυσική επιλογή.

Με άλλα λόγια, είναι ένας ακόμη μη ουδέτερος μηχανισμός που επηρεάζει την εξέλιξη του γονιδιώματος. Όσο χρήσιμη και αν ήταν η ουδέτερη θεωρία στις διάφορες μορφές της τον τελευταίο μισό αιώνα, το μέλλον της εξελικτικής θεωρίας μπορεί αναπόφευκτα να εξαρτηθεί από την εύρεση ολοένα και καλύτερων τρόπων για να γίνει η σκληρή δουλειά του να καταλάβουμε πώς ακριβώς - και πόσο - είναι η επιλογή διαμορφώνοντας απαρέγκλιτα τελικά το γονιδίωμά μας.

Η διόρθωση προστέθηκε στις 9 Νοεμβρίου:Η αρχική έκδοση αυτού του άρθρου ανέφερε εσφαλμένα την εισαγωγή κλειδιού που απαιτείται από το ουδέτερο μοντέλο.