Предвзятость при введении вариаций

Предвзятость при введении вариаций («систематическая ошибка прибытия») — это теория в области эволюционной биологии , которая утверждает, что предвзятость при введении наследственной изменчивости отражается на результатах эволюции . Это имеет отношение к темам молекулярной эволюции , эво-дево и самоорганизации . ^[1]^[2] В контексте этой теории «интродукция» («происхождение») — это технический термин, обозначающий события, которые сдвигают частоту аллеля вверх от нуля ( мутация — это генетический процесс, который преобразует одну аллель в другую, тогда как внедрение популяционный генетический процесс, который увеличивает набор аллелей в популяции с ненулевыми частотами). Формальные модели демонстрируют, что, когда эволюционный процесс зависит от событий интродукции, мутационные и эволюционные отклонения в генерации вариаций могут влиять на ход эволюции по принципу «первым пришел — первым обслужен», так что эволюция отражает появление более вероятного, а не только более вероятного. выживание слесаря. ^[3]^[4]^[5]^[6]^[7] В то время как обычно предполагается, что мутационные объяснения эволюционных закономерностей подразумевают или требуют нейтральной эволюции , теория предвзятости прибытия четко предсказывает возможность адаптации, основанной на мутациях . ^[8] Прямые доказательства этой теории получены в результате лабораторных исследований, показывающих, что адаптивные изменения систематически обогащаются мутационно-вероятными типами изменений. ^[9]^[10]^[11]^[12] Ретроспективный анализ естественных случаев адаптации также подтверждает теорию. ^[11]^[13] Эта теория примечательна как пример современного структуралистского мышления, контрастирующего с классической функционалистской точкой зрения, согласно которой ход эволюции определяется естественным отбором (см. ^[14] ).

История

Теория предубеждений в процессе внедрения как причины ориентации или направления эволюции объясняется сближением двух нитей. ^[15] Первое, из теоретической популяционной генетики , - это явное признание теоретиками (к концу 20-го века), что правильная трактовка эволюционной динамики требует зависящего от скорости процесса внедрения (происхождения), отсутствующего в классических трактовках эволюции. как процесс сдвига частот доступных аллелей. ^[16]^[17]^[18]^[19] Это признание очевидно в появлении моделей происхождения-фиксации , которые изображают эволюцию как двухэтапный процесс возникновения и фиксации (путем дрейфа или отбора ), со скоростью, определяемой умножением скорость внедрения (на основе скорости мутации ) с вероятностью фиксации (на основе эффекта приспособленности ). Модели фиксации происхождения ^[19] появились в разгар молекулярной революции , спустя полвека после зарождения теоретической популяционной генетики: вскоре они широко применялись в нейтральных моделях скорости и закономерностей молекулярной эволюции ; их использование в моделях молекулярной адаптации было популяризировано в 1990-е годы; к 2014 году они были описаны как основная ветвь формальной теории. ^[19]

Вторая нить — это долгая история попыток утвердить тезис о том, что мутация и развитие оказывают диспозиционное влияние на эволюцию, предоставляя варианты для последующей функциональной оценки, т. е. действуя таким образом, который логически предшествует отбору. Многие эволюционные мыслители предлагали ту или иную форму этой идеи. В начале 20-го века такие авторы, как Эймер и Коуп , считали, что развитие настолько сильно ограничивает или направляет эволюцию, что эффект отбора имеет второстепенное значение. ^[20]^[21] Ранние генетики, такие как Морган и Паннетт, предположили, что общие параллелизмы (например, связанные с меланизмом или альбинизмом ) могут отражать вероятные мутационные изменения. ^[22] Развивая исследование этой темы Вавиловым (1922) ^{[23] ,}Спервей (1949) ^[24] писал, что « спектр мутаций группы может быть более важным, чем многие из ее морфологических или физиологических особенностей».

Аналогичное мышление проявилось в появлении эво-дево , например, Альберч (1980) предполагает, что «в эволюции отбор может определить победителя в данной игре, но развитие определяет игроков неслучайно» (стр. 665) ^[25] ( см. также ^[26] ). Томсон (1985), ^[27] делает обзор нескольких томов, посвященных новому мышлению, основанному на развитии, — книгу Раффа и Кауфмана (1983) ^[28] и тома конференций под редакцией Боннера (1982) ^[29] и Гудвина и др. (1983) ^{[ 30]} — написал, что «Вся суть эволюционистского подхода к эволюции состоит в том, чтобы изучить возможность того, что асимметрия во внесении изменчивости на фокальном уровне индивидуальных фенотипов, возникающая из-за присущих свойств развивающихся систем, представляет собой мощный источник причинно-следственных связей». в эволюционных изменениях» (с. 222). Точно так же палеонтологи Элизабет Врба и Найлс Элдридж резюмировали эту новую теорию развития, заявив, что «предвзятость во введении фенотипической изменчивости может быть более важной для направленной фенотипической эволюции, чем сортировка путем отбора». ^[31]

Однако идея влияния развития на эволюцию была отвергнута Майром и другими, такими как Мейнард Смит («Если мы хотим понять эволюцию, мы должны помнить, что это процесс, который происходит в популяциях, а не у отдельных людей») ^{. ]} и Брюса Уоллеса («проблемы, связанные с упорядоченным развитием личности, не связаны с проблемами эволюции организмов во времени»), ^[33] как несовместимые с общепринятыми концепциями причинности. Этот конфликт между эво-дево и неодарвинизмом находится в центре внимания философа Рона Амундсона, посвященного целой книге ^[34] (см. также Scholl and Pigliucci, 2015 ^[35] ). В теории эволюции как сдвига частот генов, которая преобладала в то время, эволюционные причины — это «силы», которые действуют как массовое давление (т.е. совокупные эффекты бесчисленных отдельных событий), смещающие частоты аллелей (см. гл. 4 из [ ^36] ). Таким образом, развитие не может считаться эволюционной причиной. Широко цитируемый комментарий 1985 года об «ограничениях развития» ^[37] отстаивал важность влияний на развитие, но не связывал это утверждение с теорией причинно-следственной связи, недостаток, отмеченный критиками, например, Рив и Шерман (1993) защищали адаптационистскую программу. (против сторонников развития и знаменитой критики адаптационизма Гулда и Левонтина ), утверждая, что аргумент «ограничений развития» просто повторяет идею о том, что развитие формирует вариации, не объясняя , как такие предпочтения преобладают над давлением отбора. ^[38]Майр (1994) ^[39] настаивал на том, что мышление, направленное на развитие, «безнадежно запутано», поскольку развитие является непосредственной причиной, а не эволюционной. Таким образом, в 1980-х и 1990-х годах идея развития была воспринята как спекуляция без строгого обоснования причинно-следственных теорий, и эта позиция сохраняется (например, Lynch , 2007 ^[40] ).

В ответ на эти упреки сторонники развития пришли к выводу, что популяционная генетика не может дать полного объяснения эволюционных причин : ^[41] вместо этого сухой статистический отчет об изменениях частот генов, полученный на основе популяционной генетики, должен быть дополнен влажным биологическим отчетом об изменениях в развитии. генетическая организация (названная в ^[42] «объяснением происхождения» ). Убеждения о том, что (1) биология развития никогда не была интегрирована в «Современный синтез» и (2) популяционная генетика должна быть дополнена альтернативными объяснениями причин развития, сейчас широко повторяются в литературе эво-дево и явно приводятся в качестве мотивации для реформ через Расширенный эволюционный синтез .^[43]

Иное разрешение этого конфликта дает предложение признать процесс интродукции формально эволюционной причиной ^{[3] .}Согласно этому предложению, ключом к пониманию структуралистского тезиса биологов развития была ранее отсутствовавшая популяционно-генетическая теория последствий ошибок при внедрении . Авторы подвергли критике классические рассуждения, рассматривающие эффективность вариационных тенденций как вопрос эволюции под воздействием мутационного давления, т. е. трансформации популяций посредством повторяющихся мутаций. Они утверждали, что если генеративные предубеждения важны, то это не потому, что они превосходят отбор как силы согласно теории сдвига частот генов, а потому, что они действуют до отбора, посредством внедрения. Таким образом, теория предубеждений прибытия предполагает, что генеративные предрасположенности системы генетики развития (т. е. ее тенденции реагировать на генетические пертурбации предпочтительным образом) формируют эволюцию, опосредуя предвзятости при внедрении. Теория, которая применима как к мутационным отклонениям, так и к отклонениям в развитии, рассматривает вопрос о том, как такие предпочтения могут быть эффективными в формировании хода эволюции, даже когда действует сильный отбор.

Систематические доказательства предсказанных последствий интродукционных ошибок впервые начали появляться в результате экспериментальных исследований адаптации бактерий и вирусов.^[44]^[9] С 2017 года эта поддержка расширилась и теперь включает систематические количественные результаты лабораторной адаптации и аналогичные, но менее обширные результаты ретроспективного анализа естественных адаптаций, прослеживаемых на молекулярном уровне (см. ниже). Эмпирический случай, согласно которому отклонения в мутациях формируют адаптацию, считается установленным для практических целей, таких как эволюционное прогнозирование (например, ^[45] ). Однако выводы теории не были подвергнуты критической проверке в отношении морфологических и поведенческих особенностей животных и растений, которые являются традиционными объектами эволюционного теоретизирования (см. гл. 9 работы ^[15] ). Таким образом, значимость теории для молекулярной адаптации установлена, но значение для эво-дево остается неясным. Эта теория иногда ассоциируется с призывами к реформе со стороны сторонников эво-дево (например, ^[46]^[47] ), хотя она еще не появилась в учебниках или в широком рассмотрении проблем эволюционной биологии (например, ^{[48] [47] )}^{. 49]} ).

Простая модель

Двойная причинно-следственная связь, предложенная этой теорией, была объяснена с помощью аналогии с «Восхождением на гору Вероятности». ^[50]^[2] Представьте себе робота, который поднимается по пересеченной горной местности, используя стохастический двухэтапный процесс предложения и принятия. На этапе предложения робот тянется конечностями, чтобы попробовать различные варианты захвата, а на этапе принятия робот фиксирует и меняет свое положение. Если на этапе принятия предпочтение отдается более высоким опорам для рук, альпинист поднимется. Но можно также представить предвзятость на этапе предложения, например, робот может попробовать больше захватов слева, чем справа. Тогда двойной процесс предложения-принятия будет демонстрировать как смещение в сторону повышения из-за предвзятости в принятии, так и смещение влево из-за предвзятости в предложении. Если ландшафт неровный, восхождение закончится на местной вершине, которая (из-за предвзятости предложения) будет иметь тенденцию находиться левее начальной точки. На идеально гладком ландшафте альпинист просто будет поворачивать влево, пока не достигнет единственной глобальной вершины. В любом случае траектория альпиниста подвержена двойному смещению. Эти два предубеждения не являются конкурирующими факторами за определение частоты аллелей: они действуют на разных этапах и в неидентичных измерениях.

**От ошибки мутации к ошибке развития** Модель Ямпольского-Штольцфуса (выше), используемая для демонстрации влияния ошибок при внедрении, не учитывает источник ошибок. Например, карта генотип-фенотип для кодонов ( генетический код ) диктует, что, начиная с Met и предполагая равномерную мутацию (отсутствие систематической ошибки мутации), существует 3-кратное фенотипическое смещение при введении фенотипа Ile относительно Val.

Двойной эффект, предсказанный теорией, первоначально был продемонстрирован на популяционно-генетической модели одношаговой адаптивной ходьбы с двумя вариантами ^[3] , т. е. альпинист сталкивается с двумя восходящими вариантами: один с более высоким коэффициентом отбора, а другой с более высоким коэффициентом отбора. более высокая частота мутаций. Ключевой особенностью модели является то, что ни одна из альтернатив не присутствует в исходной популяции: их необходимо ввести. При моделировании адаптации в рамках этой модели популяция часто достигает фиксации мутационно предпочтительного аллеля, даже если это не самый подходящий вариант. Форма модели не зависит от того, являются ли отклонения мутационными или эволюционными. Последующая теоретическая работа (ниже) обобщила теорию одношаговых прогулок, а также рассмотрела долгосрочные адаптивные прогулки на сложных фитнес-ландшафтах . Общий смысл параллельной эволюции заключается в том, что отклонения во внедрении могут сильно способствовать параллелизму. Общий смысл направленности и повторяемости адаптивных блужданий заключается в том, что некоторые пути более благоприятны с эволюционной точки зрения из-за того, что они благоприятны с мутационной точки зрения. Общее значение для долгосрочной предсказуемости результатов, например, определенных фенотипов, заключается в том, что некоторые фенотипы более обнаруживаемы, чем другие, из-за мутационных эффектов, и такие эффекты могут сильно формировать распределение развившихся фенотипов.

Применение теории к проблемам эво-дево и самоорганизации формально опирается на концепцию карты генотип-фенотип (ГП). Генетический код , например, представляет собой карту GP, которая вызывает асимметрию в мутационно доступных фенотипах. Рассмотрим эволюцию фенотипа Met (аминокислоты), кодируемого генотипом ATG (кодон). Фенотипический сдвиг от Met к Val требует мутации ATG на GTG; переход от Met к Leu может произойти в результате двух разных мутаций (ATG на CTG или TTG); переход от Met к Ile может произойти в результате трех различных мутаций (в ATT, ATC или ATA). Если каждый тип генетической мутации имеет одинаковую частоту, т. е. без мутационной ошибки как таковой , карта GP индуцирует 3 разные скорости внедрения альтернативных фенотипов Val, Leu и Ile. Из-за этой предвзятости при интродукции предпочтение отдается эволюции от Met к Ile, и это происходит не из-за мутационной предвзятости (в смысле предвзятости, отражающей механизмы мутагенеза), а скорее из-за асимметричного сопоставления фенотипов с мутационно доступными генотипами.

Результаты теоретического моделирования

Одношаговые адаптивные прогулки

Как отмечалось выше, в простейшем случае эффекта «Вероятное восхождение на гору» можно рассматривать альпиниста, стоящего перед только двумя фиксированными вариантами выбора: вверх и влево или вверх и вправо. Этот случай моделируется с помощью моделирования в ^[3] и более подробно рассматривается в ^[4]. В общем, предельное поведение эволюции, когда поступление новых мутаций становится сколь угодно малым, т. е. при , называется «фиксацией происхождения». "Динамика. ^[19] Приближение фиксации начала координат для выбора между левым и правым вариантами и (соответственно) в модели Ямпольского-Штольцфуса определяется следующим образом: $\mu N\rightarrow 0$ $j$ $k$

где (или ) и (или ) — скорость мутации и коэффициент отбора для левой (или правой) альтернативы, при условии, что вероятность фиксации . В модели Ямпольского-Штольцфуса это приближение хорошо для . $\mu _{ij}$ $\mu _{ik}$ $s_{ij}$ $s_{ik}$ $\pi _{s}\approx 2s$ $\mu N<1/10$

Для одношаговых блужданий в условиях фиксации начала координат поведение, определяемое уравнением ( 1 ), обобщает 2 на множество альтернатив. Например, Кано и др. (2022) ^[7] рассматривают модельный ген с множеством различных полезных мутаций, и при низком количестве мутаций эффекты предвзятости мутаций пропорциональны спектру адаптивных изменений.

Когда он не очень мал, разные полезные аллели могут присутствовать одновременно, конкурируя и замедляя адаптацию - эффект, известный как клональная интерференция . Клональная интерференция снижает эффект предвзятости мутаций в моделях эволюции в конечных генетических пространствах: аллели, которым благоприятствует мутация, по-прежнему имеют тенденцию появляться раньше, но до того, как они достигнут фиксации, более поздние аллели, которые являются более полезными, могут превзойти их, усиливая эффект. различий в физической подготовке. В самых экстремальных условиях, когда все возможные полезные аллели надежно присутствуют в большой популяции, наиболее подходящий аллель побеждает детерминированно и нет места для эффекта мутационной предвзятости. ^[7]^[51] Другими словами, когда присутствуют все полезные аллели и отбор определяет победителя, шанс на успех равен 1 для наиболее подходящей аллели и 0 для всех остальных аллелей. Таким образом, в модели гена с конечным набором полезных мутаций ожидается, что влияние мутационной предвзятости будет самым сильным, но будет снижаться по мере того, как оно становится большим. $\mu N$ $\mu N<<1$ $\mu N$

Влияние мутации при различной степени клональной интерференции можно точно оценить количественно с помощью регрессионного метода Кано и др. (2022). ^[7] Предположим, что ожидаемое количество изменений данного класса мутационных изменений, определяемых начальными и конечными состояниями, прямо пропорционально произведению (1) частоты начального состояния и (2) скорости мутаций, возведенной в степень то есть , $f(c)$ $\mu (c,a)$ $\beta$

Логарифмирование этого уравнения дает

где – логарифм константы пропорциональности. Таким образом, когда неизвестно, его можно оценить как коэффициент регрессии log(количеств) на log(ожидаемое количество). Моделирование генной модели (рисунок справа из ^[7] ) показывает диапазон от низкого количества мутаций до низкого количества мутаций. Хотя этот подход был разработан для оценки того, как спектр мутаций влияет на адаптивные миссенс-изменения (определяемые стартовым кодоном и конечной аминокислотой), уравнение отражает общую структуру, применимую к любым классам изменений, определяемым мутациями. $\alpha$ $\beta$ $\beta \approx 0$ $\beta \approx 1$

Обратите внимание, что эти соображения применимы к конечным генетическим пространствам. В бесконечном генетическом пространстве клональная интерференция по-прежнему замедляет скорость адаптации из-за конкуренции, но не предотвращает эффект мутационной предвзятости, поскольку среди наиболее подходящего класса аллелей всегда есть мутационно предпочтительные альтернативные аллели. ^[52]^[6]

Вклад мутации в параллелизм

В общем, если существует некоторый набор возможных шагов, каждый из которых имеет вероятность , то вероятность параллелизма определяется суммированием квадратов . Из определения дисперсии или коэффициента вариации следует , что (см. вставку 2 в ^[52] или гл. 8 в ^[15] ) $p_{i}$ $P_{para}=\sum _{i}p_{i}^{2}$ $V$ $c_{v}$

То есть параллелизм увеличивается за счет всего, что уменьшает количество вариантов выбора или увеличивает неоднородность их шансов (измеряемых или ). Этот результат подтверждает интуицию Шулля ^[53] о том, что «представление о том, что идентичные изменения должны происходить снова и снова, если возможности бесконечны, а вероятности равны», требует от человека веры в законы случая» (стр. 448). В той степени, в которой гетерогенность отражает гетерогенность мутационных шансов, мутация способствует параллелизму. $V$ $c_{v}$ $p_{i}$

В частности, в случае динамики происхождения-фиксации каждое значение является продуктом термина мутационного происхождения и термина фиксации, так что гетерогенность в любом из них одинаково способствует шансам на параллелизм, и можно разделить эффекты мутации. и отбор для учета повторяемости эволюции. ^[52] В условиях фиксации начала координат и при условии , отсюда следует, что ^[54] $p_{i}$ $\pi (s,N)\approx 2s$

где и – коэффициенты вариации векторов коэффициентов отбора и частоты мутаций соответственно. Числовые примеры во вставке 2 из ^[52] позволяют предположить, что мутация иногда больше способствует параллелизму, чем отбору, хотя авторы отмечают, что в приведенном выше знаменателе скрыто смешиваются эффекты мутации и отбора (поскольку на практике отражается набор путей). которые достаточно благоприятствуются отбором и имеют достаточную вероятность наблюдать мутации). $c_{v}({\boldsymbol {s}})$ $c_{v}({\boldsymbol {\mu }})$ $n$ $n$

Долгосрочные последствия: тенденции, навигация и доступность

Для систематического взгляда на долгосрочные эффекты эволюции в дискретном генотипическом пространстве рассмотрим четыре точки зрения, представленные ниже, сосредоточив внимание на влиянии спектра мутаций ( характерного для некоторой развивающейся системы) на различные способы определения шансов эволюции (после лечения по ^[52] ):

Точка с доступом к другим близлежащим точкам в пространстве генотипов $X$ . Начиная с , существует 0 или более шагов или путей вверх, которые различаются мутационной благоприятностью (как функция спектра мутаций ) и преимуществами приспособленности. Эволюционность-из- является функцией этого набора шагов. В простых условиях каждый шаг имеет вероятность , а повторяемость эволюции определяется возведением значений в квадрат. $X$ $X$ $p_{i}$ $p_{i}$
Непустое множество шагов на пути или траверсе возрастающей приспособленности, т. е. адаптивном пути (можно также рассмотреть нейтральный путь или путь неубывающей приспособленности). Каждый путь имеет длину и состав с точки зрения преимуществ приспособленности шагов и мутационной благоприятности шагов. Вероятность того, что эволюция пойдет по заданному пути, должна каким-то образом зависеть от этих свойств по отношению к другим возможным путям.
Совокупный набор путей («бассейн притяжения»), которые ведут к заданному пункту назначения, например, к пику или плато приспособленности, или набор шагов в фенотипической сети. Любой пункт назначения можно обнаружить по 0 или более восходящим путям, соединяющим его с нижними точками. Точки в этой коллекции также могут иметь пути к другим пунктам назначения. Для данного пункта назначения возможность развития или находимости зависит от этого набора путей относительно конкурирующих путей. Каждая коллекция имеет некоторый общий размер, т. е. может быть много или мало путей, ведущих к месту назначения.
Фитнес -ландшафт , который может включать в себя множество вершин и троп . В зависимости от совокупности вершин и троп ландшафт может быть более или менее пригодным для навигации в том смысле, что у него высока вероятность найти вершину с высокой приспособленностью из случайно выбранной начальной точки. Судоходство по ландшафту будет зависеть от спектра мутаций в зависимости от состава путей в ландшафте .

Доступны теоретические результаты, относящиеся к каждой из этих точек зрения. Например, при моделировании адаптивного блуждания белок-кодирующих генов в контексте абстрактного NK-ландшафта ^[8] эффект систематической ошибки мутации GC-AT заключается в изменении состава белковой последовательности способом, качественно согласующимся с аналогией . восхождения на гору Вероятность (вверху). Каждое адаптивное блуждание начинается со случайной последовательности и заканчивается на некотором локальном пике; направление блуждания и конечный пик зависят от смещения мутации. ^[8] Например, адаптивное блуждание под влиянием мутации в сторону GC приводит к появлению белков, которые содержат больше аминокислот с кодонами, богатыми GC (Gly, Ala, Arg, Pro), и аналогичным образом адаптивное блуждание под предвзятостью AT приводит к образованию белков с большим количеством аминокислот с АТ-богатыми кодонами (Phe, Tyr, Met, Ile, Asn, Lys). На пересеченной местности первоначальный эффект аналогичен, но адаптивные прогулки короче. ^[8] То есть смещение мутации накладывает предпочтение (при адаптивных блужданиях) на шаги, пути и локальные пики, которые обогащены результатами, которым благоприятствует смещение мутации. Это иллюстрирует концепцию направленного тренда, при котором система совокупно движется в определенном направлении вдоль оси состава.

Влияние систематической ошибки перехода-трансверсии было изучено с использованием эмпирических ландшафтов приспособленности для сайтов связывания транскрипционных факторов.^[55] Каждый ландшафт основан на создании тысяч различных 8-нуклеотидных фрагментов и измерении того, насколько хорошо они связываются с конкретным фактором транскрипции. К каждому пику на каждом ландшафте можно добраться по некоторому набору путей, состоящих из ступеней, представляющих собой замены нуклеотидов, каждая из которых представляет собой либо переход, либо трансверсию. Среди всех возможных генетических изменений соотношение переходов и трансверсий составляет 1:2. Однако совокупность путей, ведущих к данной вершине (на данном эмпирическом ландшафте), имеет специфический переходно-трансверсионный состав, который может отличаться от 1:2. Аналогичным образом, любая развивающаяся система имеет определенную склонность к мутациям переходов-трансверсий. Чем точнее предвзятость мутации (развивающейся системы) соответствует предвзятости состава (ландшафта), тем больше вероятность того, что развивающаяся система найдет пик. ^[55] Таким образом, для данной развивающейся системы с ее характерной склонностью к переходу-трансверсии некоторые ландшафты более удобны для навигации, чем другие. Навигация максимизируется, когда предвзятость мутаций развивающейся системы соответствует предвзятости состава ландшафта. ^[55]

Наконец, вместо того, чтобы организовывать генотипы по приспособленности (в терминах пиков, восходящих путей и совокупности путей, ведущих к пику), мы можем организовать генотипы по фенотипу , используя карту генотип-фенотип . Данный фенотип идентифицирует сеть в пространстве генотипов, включающую все генотипы с этим фенотипом. ^[56] Эволюционирующая система может нейтрально диффундировать внутри сети генотипов с одним и тем же фенотипом, но предполагается, что конверсии между фенотипами не являются нейтральными. Каждая фенотипически определенная сеть имеет возможность обнаружения, которая в первом приближении является функцией количества генотипов в сети. ^[5]^[57] Например, используя канонический генетический код в качестве карты генотип-фенотип, фенотип Лейцин имеет 6 кодонов, тогда как Триптофан имеет 1: Лейцин более доступен для обнаружения, потому что существует больше мутационных путей от нелейциновых генотипов. Эту идею можно применить к тому, как складки РНК (рассматриваемые как фенотипы) сопоставляются с последовательностями РНК. Например, эволюционное моделирование показывает, что складки РНК с большим количеством последовательностей легче обнаруживаются, и это связано с тем, что в результате мутации они подвергаются избыточной выборке. ^[5] Аналогичная точка зрения была высказана в отношении подструктур регуляторных сетей ^[58] (см. также ^[57] ).

Приведенные выше результаты применимы, как и ранее, к конечным пространствам. В бесконечных пространствах набор оставшихся полезных мутаций, которые предстоит изучить, бесконечен и включает в себя бесконечное количество мутационно благоприятных и мутационно неблагоприятных вариантов. Следовательно, эволюция в бесконечных пространствах может продолжаться вечно в направлении, предпочтительном для мутаций, без уменьшения мутационного эффекта, который применяется в краткосрочной перспективе, например, можно рассмотреть уравнение ( 1 ) для такого бесконечного пространства. Модель Гомеса и др. (2020) ^[6] допускает неограниченную адаптацию за счет двух признаков: один с более высокой частотой полезных мутаций, а другой с более крупными селективными преимуществами. В этой модели смещение мутаций продолжает играть важную роль в долгосрочной эволюции, даже когда предложение мутаций очень велико.

Отличительные последствия

Теорию предубеждений в процессе интродукции как причину ориентации или направления эволюции можно противопоставить другим теориям, которые использовались биологами-эволюционистами для рассуждений о роли изменчивости в эволюции:

Организмы адаптивно реагируют на условия жизни, и эти реакции передаются по наследству ( ламаркизм ). Обычно считается, что этой теории не хватает механистической основы.
Вариации поставляют сырье, преобразованное в адаптации путем отбора ( неодарвинизм ). В этой теории «отбор — единственный фактор, задающий направление эволюции» ^[59] , в то время как изменчивость — это материальная причина — просто пассивный источник субстанции, а не источник формы, инициативы или направления (обеспечиваемый отбором) — , так что законы вариации «не имеют никакого отношения» к структурам, построенным отбором. ^[60]
Развитие накладывает предварительные ограничения на форму. В этой народной теории «отбор может определить победителя в данной игре, но развитие определяет игроков не случайным образом». Эта теория появилась в классических аргументах таких авторов, как Эймер и Коуп; ^[20] оно вновь появилось в заявлениях сторонников развития в 1980-х годах. ^[25]^[26]
Массовое преобразование под воздействием мутационного давления трансформирует популяцию. Последствия этого способа причинной обусловленности были проработаны главным образом Холдейном ^[61] и Кимурой ^[62] , которые сочли его неправдоподобным из-за необходимости высокой частоты мутаций, не встречающей сопротивления со стороны отбора.
Величина постоянных вариаций усиливает или замедляет вызванные отбором сдвиги в количественных признаках. В эволюционной количественной генетике матрица (постоянная вариация) является источником размерной, но не направленной асимметрии, в зависимости от количества вариаций, доступных по любому заданному измерению в пространстве признаков. ^[63]^[64] ${\bf {G}}$

По сравнению с этими теориями теория систематических ошибок прибытия имеет особые последствия, некоторые из которых подтверждаются эмпирически, как описано ниже, например, наиболее частый результат адаптивного процесса, такой как возникновение устойчивости к антибиотикам, не обязательно является наиболее полезным, но часто умеренно благоприятный результат, которому способствует высокая частота мутационного происхождения. Аналогичным образом, теория подразумевает, что эволюция может иметь направления, которые не являются адаптивными, или тенденции, которые не оптимальны, и этот вывод один комментатор книги Артура ^[46] нашел «тревожным». ^[65] Эта теория определяется не какой-либо конкретной проблемой, таксоном, уровнем организации или областью исследования, а механизмом, определенным на уровне популяционной генетики, а именно способностью предвзятостей при интродукции налагать предвзятости на эволюцию. Некоторые следствия заключаются в следующем (см. ^[2] ).

Эффекты не требуют нейтральности или высокой скорости мутаций . В отличие от теории эволюции под воздействием мутационного давления, исследованной (и отвергнутой) Холдейном и другими, вариационные диспозиции в рамках теории предубеждений прибытия не зависят от нейтральной эволюции и не требуют высоких скоростей мутаций. ^[3]

Ступенчатые предубеждения могут иметь градуированные эффекты . В отличие от того, что подразумевается под языком «ограничений» или «пределов», используемым в исторических обращениях к внутренним источникам направления эволюции, теория предубеждений прибытия не является детерминистской и не требует абсолютного различия между возможными и невозможными формами. Вместо этого теория является вероятностной, и градуированные смещения могут иметь градуированные эффекты. ^[3]

Режимозависимость в отношении популяционной генетики . Согласно теории, предвзятость вариаций не имеет гарантированного эффекта, независимого от деталей популяционной генетики. Влияние мутационных ошибок достигает максимума (пропорциональное влияние) в условиях фиксации происхождения и может почти полностью исчезнуть при высоких уровнях предложения мутаций. ^[7]

Равенство предубеждений фиксации и предубеждений происхождения (при ограничивающих условиях) . В классическом неодарвинистском мышлении отбор управляет и формирует эволюцию, тогда как вариации играют пассивную роль в поставке материалов. Напротив, при ограниченных условиях фиксации происхождения теория смещений прибытия устанавливает условие паритета, так что (например) 2-кратное смещение при фиксации и 2-кратное смещение при внедрении оказывают одинаковое 2-кратное влияние на шансы на эволюцию. ^[19]

Общность в отношении источников вариационного смещения . В эволюционной литературе мутационные предубеждения, «ограничения» развития и самоорганизация в смысле находимости рассматриваются как отдельные темы. Согласно теории ошибок прибытия, все это проявления одного и того же популяционно-генетического механизма, в котором ошибки при введении вариантов накладывают изменения на эволюцию. Любое краткосрочное смещение является либо мутационным смещением в смысле разницы в скоростях двух полностью определенных генотипических преобразований, либо его можно рассматривать как схему дифференциальной фенотипической агрегации по генотипам (см. вставку 2 из [ ^52] ).

Помимо этих прямых последствий, в литературе появились некоторые более сложные или косвенные последствия.

Непричинные ассоциации, вызванные мутацией и отбором. Из-за двойной зависимости от мутации и отбора распределение адаптивных изменений может демонстрировать непричинные связи частоты мутаций и коэффициентов отбора, что в некоторой степени сродни парадоксу Берксона , как это предполагается в гл. 8 оф. ^[15] и более подробно разработано Гитшлагом и др. (2023). ^[66]

Условия состава и декомпозиции причин. При ограниченных условиях фиксации происхождения шансы на эволюцию отражают два фактора, умноженные вместе, представляющие собой ошибки при внедрении и ошибки при фиксации, как в уравнении ( 1 ). Таким образом, существуют условия, при которых можно количественно оценить и напрямую сравнить диспозиционные влияния мутации и отбора. Этот подход уже использовался в нескольких эмпирических аргументах, рассматриваемых ниже. ^[67]^[68]^[50] (блок 2 из ^[52] ).

Предвзятое истощение спектра полезных мутаций . В любом случае, когда система адаптируется посредством мутации и отбора, существует некоторый набор возможных полезных мутаций, характеризующийся распределением коэффициентов отбора и скоростей мутаций. Поскольку адаптация происходит на основе мутаций, этот спектр возможных полезных мутаций истощается предвзятым образом. Теория этого истощения ^[69] актуальна для экспериментальной работы, показывающей, что «сдвиги в спектре мутаций расширяют доступ к полезным мутациям». ^[70] То есть экспериментально наблюдаемая благоприятность сдвигов в спектрах мутаций зависит от закономерности истощения полезных мутаций, что само по себе является признаком адаптации, обусловленной мутациями.

Доказательство

Доказательства теории были недавно обобщены, например, Gomez и др. (2020) ^[6] представили таблицу, в которой перечислены 8 различных исследований, в которых представлены доказательства влияния мутационной предвзятости на адаптацию, а Ch. Глава 9 книги «Мутация, случайность и эволюция» ^[15] посвящена эмпирическому подтверждению теории (см. также ^[2]^[52] ). Ожидается, что отклонения во внедрении будут влиять на эволюцию, будь то нейтральную или адаптивную, но влияние на нейтральную эволюцию не считается интуитивно неожиданным или спорным, и поэтому ему не уделяется много внимания. Вместо этого в отчетах о доказательствах основное внимание уделяется адаптации, обусловленной мутациями, поскольку это подчеркивает, как предсказания теории противоречат классической концепции мутации как слабого давления, легко преодолеваемого отбором, согласно аргументу Фишера и Холдейна о «противоположном давлении». ^[3]

Прямые доказательства причинно-следственной связи в контролируемых условиях

Прямые доказательства того, что спектр мутаций формирует спектр адаптивных изменений, получены в исследованиях, которые напрямую манипулируют спектром мутаций . В одном исследовании ^[9] устойчивость к цефотаксиму развивалась неоднократно с использованием 3 штаммов E. coli с различным спектром мутаций : дикого типа, mutH и mutT . Спектр мутаций устойчивости среди эволюционировавших штаммов показал те же закономерности спонтанных мутаций, что и родительские штаммы. В частности, трансверсии, которым благоприятствует mutT (левый блок столбцов), высоко распространены среди устойчивых изолятов от родителей mutT (синий на прилагаемом рисунке), и аналогичным образом устойчивые штаммы от родителей mutH (красный) имеют тенденцию иметь предпочтительные мутации нуклеотидного перехода. by mutH (центральный блок баров). Таким образом, изменение спектра мутаций соответствующим образом меняет спектр адаптивных изменений. $A:T\rightarrow C:G$

Другое исследование ^[12] показало, что штамм AR2 P. fluorescens адаптировался к потере подвижности в подавляющем большинстве случаев (>95% времени) за счет одного специфического изменения — изменения A289C в гене ntrB , тогда как штамм Pf0-2x адаптировался посредством разнообразные изменения в нескольких генах. Паттерн в производных AR2 был прослежен до мутационной горячей точки. Поскольку поведение «горячей точки» было связано главным образом с синонимичными различиями между двумя штаммами, экспериментаторы смогли использовать генную инженерию, чтобы удалить «горячую точку» из AR2 и добавить ее к Pf0-2x, не меняя кодируемую аминокислотную последовательность. Это изменило качественную картину результатов, так что модифицированный AR2 (спроектированный для удаления горячей точки) адаптировался посредством различных изменений, в то время как модифицированный Pf0-2x с спроектированной горячей точкой, адаптированный через A289C, менялся в 80% случаев.

Поэтапные эффекты

Другой способ использования имеющихся данных — сосредоточиться на идее градуированных эффектов, которая отличает теорию систематических ошибок прибытия от интуитивного понятия «ограничений» или «пределов» возможных форм. В частности, можно отбросить драматические эффекты, связанные с «горячими точками» и мутаторными аллелями, и рассмотреть эффекты обычных количественных ошибок в нуклеотидных мутациях. Ряд исследований установил, что умеренные, многократные отклонения в мутациях могут иметь многократный эффект на эволюцию, а некоторые исследования указывают на примерно пропорциональную связь между частотой мутаций и шансами на адаптивные изменения. ^[11]^[10]^[71]^[72]^[73]

Например, Сакман и др. (2017) ^[10] изучали параллельную эволюцию четырех родственных бактериофагов. В каждом случае они параллельно адаптировали 20 культур, а затем секвенировали образец адаптированной культуры для выявления причинных мутаций. Результаты показали явное предпочтение нуклеотидных переходов: 29:5 для путей (белые и черные полосы на рисунке справа) и 74:6 для событий.^[10]

В исследовании устойчивости к рифампицину у Pseudomonas aeruginosa Маклин и др. (2010) ^[74] измерили коэффициенты отбора и частоту эволюции для 35 мутаций устойчивости в гене rpoB (РНК-полимеразы) и сообщили о частоте мутаций для 11 из них. Частота мутаций варьируется в 30-кратном диапазоне. Частота появления устойчивого варианта в наборе из 284 повторных культур сильно и примерно линейно коррелирует со скоростью мутаций (рисунок справа). Это не объясняется корреляцией между коэффициентами отбора и частотой мутаций, которые не коррелируют (см. гл. 9 работы ^[15] ).

Как объяснялось выше, влияние спектра мутаций на спектр адаптивных изменений можно отразить в одном параметре , определяемом как коэффициент биномиальной регрессии наблюдаемых чисел на ожидаемые числа из мутационной модели. ^[7] Исходя из теоретических соображений, ожидаемые значения варьируются от 0 (отсутствие влияния) до 1 (пропорциональное влияние). Этот метод был применен Кано и др. ^[7] к 3 большим наборам данных об адаптивных изменениях, сравнивая модель, основанную на независимых измерениях спектра мутаций , с адаптивными изменениями, ранее выявленными в исследованиях (1) клинической устойчивости микобактерий туберкулеза к антибиотикам , (2) лабораторной адаптации E. coli. и (3) лабораторная адаптация дрожжей Saccharomyces cerevisiae к стрессу окружающей среды. В каждом случае , что указывает на примерно пропорциональное влияние ошибки мутации. Авторы сообщают, что это происходит не только из-за влияния систематической ошибки переход-трансверсия, поскольку это относится как к систематической ошибке переход-трансверсия, так и к другим аспектам спектра нуклеотидных мутаций . ^[7] $\beta$ $\beta$ $\beta \approx 1$ $\beta \approx 1$

Область применения

И последнее использование имеющихся данных — рассмотрение диапазона естественных условий, при которых теория может быть применима. Хотя лабораторные исследования могут использоваться для установления причинно-следственной связи и оценки размера эффекта, они не дают прямых указаний о том, где теория применима в природе. Как отмечается в ^[52] , большинство исследований адаптации не включают генетический анализ, позволяющий выявить конкретные мутации, а в тех редких случаях, когда предпринимаются попытки идентифицировать причинные мутации, результаты обычно указывают лишь на очень небольшое количество изменений, которые являются с учетом вопросов интерпретации. ^[75] Таким образом, стратегия, которой придерживались в ключевых исследованиях ^[72]^[11]^[13], заключалась в том, чтобы сосредоточиться на достоверных случаях адаптации, в которых предполагаемые функциональные эффекты предполагаемых адаптивных мутаций были проверены с использованием методов генетики.

Пейн и др. ^[72] искали эффект смещения переходов среди мутаций, вызывающих устойчивость к антибиотикам, в клинически идентифицированных штаммах Mycobacterium Tuberculosis , которые демонстрируют сильную мутационную предвзятость в сторону нуклеотидных переходов.^[76] Они сравнили наблюдаемое соотношение переход-трансверсия с нулевым ожиданием 1:2 при отсутствии ошибки мутации. Используя две разные курируемые базы данных, они обнаружили соотношения переход:трансверсия 1755:1020 и 1771:900, т.е. обогащение в 3,4 и 3,9 раза больше нуля соответственно. Они также воспользовались особым случаем замены Met-to-Ile, которая может происходить за счет 1 перехода (ATG в ATA) или 2 разных трансверсий (ATG в ATT или ATC). Это соотношение возможностей 1:2 снова представляет собой нулевое ожидание эффектов, независимых от предвзятости мутации. Фактически, мутации в устойчивых изолятах имеют коэффициенты перехода-трансверсии 88:49 и 96:39 (для двух наборов данных), т.е. в 3,6 и 4,9 раза выше нулевых ожиданий. Этот результат не может быть результатом отбора на уровне аминокислот, поскольку все изменения происходят от Met к Ile. Значение этого результата не в том, что смещение мутации работает только тогда, когда варианты избирательно неразличимы: вместо этого урок состоит в том, что смещение в сторону нуклеотидных переходов примерно в 4 раза как для случая Met-to-Ile, так и для случая аминокислот. -изменение замен в целом.

Гораздо более широкий таксономический охват предполагает метаанализ опубликованных исследований параллельной адаптации в природе. ^[11] В этом исследовании авторы собрали набор данных, охватывающий 10 опубликованных случаев параллельной адаптации, прослеживаемой до молекулярного уровня, включая хорошо известные случаи, связанные с настройкой спектра , устойчивостью к природным токсинам, таким как сердечные гликозиды ^[77] и тетродотоксин , ^{[78] ]}^[79] брожение передней кишки и так далее. Результаты, показанные ниже (таблица), указывают на соотношение переход-трансверсия 132:99, что является 2,7-кратным обогащением относительно нулевого ожидания 1:2 (соотношение путей, которое менее чувствительно к экстремальным значениям, составляет 27:28). , 2-кратное обогащение). Таким образом, данное исследование показывает, что склонность к переходам наблюдается в хорошо известных случаях параллельной адаптации у различных таксонов, включая животных и растения.

Наконец, Шторц и др. ^[13] проанализировали изменения сродства к гемоглобину, связанные с высотной адаптацией птиц. В частности, они изучили эффект смещения CpG — повышенную частоту мутаций в сайтах CpG из-за влияния метилирования цитозина на повреждение и восстановление, широко обнаруженную у млекопитающих и птиц.^[80] Они собрали набор данных, состоящий из 35 подобранных пар высокогорных и низковысотных видов птиц. В каждом случае гемоглобины оценивались на предмет функциональных различий, приводящих к более высокому сродству к кислороду у высокогорных видов. Изменения в аффинити, вероятно связанные с адаптацией, включали 10 различных путей, обнаруженных в общей сложности 22 раза. Шесть из 10 путей связаны с мутациями CpG, тогда как только один можно было бы ожидать случайно; и 10 из 22 событий связаны с мутациями CpG, тогда как только 2 можно было бы ожидать случайно (оба различия были значимыми). Это обогащение генетических изменений, вероятных для мутаций, подтверждает теорию предвзятости прибытия и предоставляет дополнительные доказательства того, что предсказуемые эффекты предвзятости мутаций важны для понимания адаптации в природе.

Контекст эволюционного мышления

Теория систематической ошибки прибытия была описана как сквозная теория ^[3]^[1]^[2]^[15] , поскольку она предлагает причинное обоснование (в популяционной генетике) для различных видов ранее существовавших утверждений, для которых причинное обоснование либо неизвестно, либо указано неверно,

тезис теории развития (выше), согласно которому эволюционные предрасположенности могут возникать в результате изменения формы развития, действующего до отбора (например, ^[26] )
различные утверждения в литературе по молекулярной эволюции о предвзятых мутационных эффектах (например, на использование кодонов), которые приписываются неравномерному или направленному «давлению мутаций» ^[81] , но которые не могут быть правдоподобно объяснены как эволюция под давлением мутаций, предполагая вместо этого необходимость за теорию мутационных предубеждений при внедрении;
предположение, возникшее в ходе палеобиологических дебатов 1980-х годов, о том, что в иерархическом расширении эволюционной причинно-следственной связи с уровня популяции на несколько уровней (т. е. популяций, видов, высших таксонов) видообразование является важным источником интродукционных ошибок на уровне высших таксонов. таксоны; ^[31]
утверждает, что эволюция имеет тенденцию находить фенотипы, чрезмерно представленные в пространстве генотипов, т.е. эффект «обнаружимости» или «прихода частого» ^[82] , который можно распознать как в некоторых аргументах из литературы по молекулярной эволюции, например, Объяснение частот аминокислот, данное Кингом (1971) ^{[83] , а также из литературы по эволюционной}самоорганизации , например, аргументов Кауфмана ^[84]

Контекст применения теории показан на этом рисунке (справа). Слева показаны детали мутации и развития, ответственные за тенденции возникновения изменчивости (варигенез), т. е. тенденции, предшествующие отбору или дрейфу. Справа — наблюдаемые эволюционные закономерности, которые, возможно, можно объяснить этими тенденциями. Зеленая стрелка — это некоторая теория (теория предвзятости прибытия или некоторая альтернативная теория), которая определяет условия причинно-следственной связи, связывающей вариационные тенденции с эволюционными тенденциями. Применять теорию в этом контексте — значит генерировать эволюционные гипотезы или объяснения, которые апеллируют к внутренним деталям мутации и развития (слева) для объяснения эволюционных закономерностей (справа) через условия причинно-следственной связи, определенные теорией. Например, комментарий Дарвина о том, что законы вариации «не имеют никакого отношения» к структурам, построенным отбором, предполагает, что не существует условий, при которых внутренние детали слева объясняли бы закономерности справа. Все остальные теории предполагают, что вариационные тенденции могут влиять на эволюцию при некоторых условиях. Например, теория мутационного давления применяется, когда частота мутаций высока и ей не противодействует отбор, поэтому она имеет ограниченный спектр приложений. Теория эволюционной количественной генетики может быть очень широко применена к эволюции количественных признаков, но теория (в том виде, в котором она разработана до сих пор) не предполагает, что мутационные предубеждения будут иметь большое влияние.^[85]^[86]^[87] Напротив, теория смещения прибытия может применяться широко и учитывает сильную роль вариационных тенденций в формировании эволюционных тенденций.

Опоздание и неочевидность

Хотя сегодня это кажется интуитивно очевидным, формально теория возникла только в 2001 году, например, как отмечалось выше, популяционные генетики не предлагали эту теорию в 1980-х годах, чтобы ответить на вызов эво-дево, который буквально призывал признать предвзятости при введении вариаций. . Такое позднее появление было объяснено «слепым пятном» из-за множества факторов ^[15] , включая традицию вербальных аргументов, которые минимизируют роль мутации, тенденцию связывать причинно-следственную связь с процессами, которые меняют частоту вариантов, а не с процессами, которые создают варианты и формальный аргумент популяционной генетики, который не распространяется на эволюцию в результате новых мутаций.

В частности, когда Холдейн ^[61] и Фишер ^[88] спросили, могут ли тенденции мутаций влиять на эволюцию, они сформулировали это как вопрос эффективности мутационного давления (ниже), заключив, что, поскольку частота мутаций низкая, мутация является слабым фактором. сила, важная только в частном случае аномально высокой частоты мутаций, не встречающей сопротивления отбора. Их концепция эволюционной причинности была смоделирована на основе отбора, который действует путем изменения частот доступных аллелей, поэтому они относились к повторяющимся мутациям таким же образом. Их вывод верен для случая эволюции из постоянной изменчивости.

В более общем смысле, в теории современного синтеза предполагалось, что эволюция является результатом кратковременного процесса изменения частот доступных аллелей. ^[89]^[90] В этом процессе мутации обычно не имеют значения, за исключением случаев, когда основное внимание уделяется низкочастотным аллелям, поддерживаемым вредным мутационным давлением (см. Популяционная генетика: Мутация ), например, Эдвардс (1977) ^[91] обратился к теоретической популяционной генетике. вообще не учитывая мутацию; Левонтин (1974) ^[92] заявил, что «в детерминистской теории практически нет качественных или грубых количественных выводов о генетической структуре популяций, чувствительных к небольшим значениям миграции или каких-либо выводов, зависящих от скорости мутаций» (стр. 267). .

Аргумент Холдейна-Фишера о «противоположном давлении» неоднократно использовался ведущими мыслителями, чтобы отвергнуть структуралистское или интерналистское мышление (примеры в ^[2] или главе 6 из ^[15] ), например, Фишер (1930) заявил, что «Вся группа теории, которые приписывают гипотетическим физиологическим механизмам, контролирующим возникновение мутаций, силу управления ходом эволюции, должны быть отброшены, как только будет отброшена смешанная теория наследования». Семьдесят лет спустя Гулд (2002), цитируя Фишера (1930), ), писал, что «поскольку ортогенез может действовать только тогда, когда давление мутаций становится достаточно высоким, чтобы выступать в качестве агента эволюционных изменений, эмпирические данные о низкой частоте мутаций звучат как похоронный звон интернализма». (с. 510) ^[93]

Таким образом, аргументы популяционной генетики использовались для отклонения, а не для поддержки спекулятивных утверждений о роли вариационных тенденций. Недостаток аргумента Холдейна-Фишера, отмеченный в ^[3] , заключается в том, что он рассматривает мутацию только как давление на частоты существующих аллелей, а не как причину возникновения новых аллелей. Когда аллели, имеющие отношение к результату эволюции, изначально отсутствуют, ошибки при интродукции могут привести к сильным ошибкам в результате. Таким образом, позднее появление этой теории проливает свет на то, насколько тесно мышление современного синтеза было связано с предположением о постоянной вариации ^[95] и с теорией сил. ^[15] Эти обязательства продолжают отражаться в современных источниках, например, в официальном документе США, одобренном SSE , SMBE , ASN , ESA и другими соответствующими профессиональными обществами, Футуйма и др. (2001) ^[94] утверждают как факт, что Эволюция — это сдвиг частот генов, определяя основные причины «эволюции» (определенной так) как отбор и дрейф (рисунок).

Однако к концу ХХ века теоретики начали отмечать, что долговременная динамика зависит от событий внедрения мутаций, не освещенных классической теорией. ^[16]^[18]^[17] В современной литературе предположение об эволюции в результате постоянной изменчивости лишь изредка делается явным, например, ^[96] . ^[97] Чаще всего эволюцию из постоянных вариаций рассматривают как вариант, который следует рассматривать вместе с эволюцией из новых мутаций. ^[98]^[19]^[99]

Актуальность к современным проблемам

Параллелизм и предсказуемость . Применение теории к параллелизму рассмотрено выше. Тенденция к повторению определенных результатов в эволюции является не просто функцией отбора, но также отражает предвзятости при внедрении из-за дифференциальной доступности посредством мутации (или, в случае фенотипов, мутации и измененного развития). Недавние обзоры по предсказанию ^[52]^[45] применяют эту теорию к роли мутационных ошибок в обеспечении повторяемости эволюции.

Разделение причинной ответственности за закономерности на мутацию и отбор . В случае динамики происхождения-фиксации эволюционные предрасположенности можно объяснить сочетанием мутаций и отбора, и в принципе возможно распутать эти вклады, как при анализе регуляторных и структурных эффектов в эволюции ^[67] или закономерности замены аминокислот в эволюции белков. ^[50]

Эво-дево , карты ГП и находимость . Применение теории смещений прибытия к развитию и фенотипам опосредовано концепцией карты генотип-фенотип. Простой пример смещения, вызванного картой GP, показан справа. Эволюционирующая система нейтрально диффундирует внутри генотипической сети своего фенотипа и может время от времени переходить к другому фенотипу. Из стартовой сети генотипов, кодирующих фенотип P0, происходят мутации, ведущие к генотипическим сетям P1 и P2. Однако количество мутаций, ведущих от стартовой сети к P2, в 4 раза выше, что иллюстрирует идею о том, что для данной онтогенетической системы некоторые фенотипы более мутационно доступны. Это не то же самое, что мутационное смещение как таковое (асимметрия, вызванная деталями мутагенеза), но оно может иметь тот же эффект в популяционно-генетической модели. ^[3] В этом случае, если все мутации происходят с одинаковой скоростью, общая скорость мутационного внедрения P2 в 4 раза выше, чем для P1: это смещение может быть отображено в модели Ямпольского-Штольцфуса и будет иметь те же последствия, что и 4-кратная мутационная ошибка.

Для краткосрочной эволюции важно распределение сразу доступных для мутаций фенотипов. Однако в долгосрочной эволюции можно ожидать два разных эффекта, которые можно объяснить рисунком справа после рисунка 4 Фонтаны (2002).^[56] Сети показывают генотипы, которые соответствуют трем различным фенотипам: P0, P1 и P2. Со временем система может нейтрально диффундировать среди разных генотипов с одинаковыми фенотипами. Редко может произойти переход от одного фенотипа к другому. В краткосрочной перспективе эволюция зависит только от того, что непосредственно доступно из данной точки генотипического пространства. В среднесрочной перспективе эволюция зависит от доступности альтернативных фенотипических сетей по отношению к исходной сети, например, начиная с P0, P2 в два раза доступнее, чем P1, даже несмотря на то, что P1 и P2 имеют одинаковое количество генотипов. В долгосрочной перспективе значение имеет общая находимость фенотипа среди всех других фенотипов, которая (в первом приближении) зависит от количества генотипов (а точнее, от общей площади поверхности сети). доступный для других фенотипов высокой приспособленности). В этом случае P0 более доступен для обнаружения, чем P1 и P2, поскольку у него вдвое больше генотипов. Вариационная предвзятость в сторону более многочисленных фенотипов называется «предвзятостью фенотипа» Динглом и др. (2022) ^[82] (см. также ^[57] ).

Этот эффект находимости является формальной основой для эмпирических и теоретических аргументов в исследованиях находимости мотивов регуляторной сети ^[58] или семейств складок РНК. ^[82] На рисунке справа Дингл и др. (2022) ^[82] представили доказательства поразительной тенденции наиболее распространенных в природе складок РНК соответствовать складкам, наиболее широко распространенным в пространстве последовательностей.

Роль в широких призывах к реформам

Теория предвзятости прибытия, предложенная в 2001 году, появляется в нескольких последующих призывах к реформе по сравнению с неодарвинистским взглядом на современный синтез. По мнению Артура , ^[46] это часть эволюционистского подхода к эволюции, который подчеркивает внутренние организующие эффекты «перепрограммирования развития» на изменчивость. С другой стороны, ^[15]^[2] эффективность предубеждений прибытия подрывает историческую приверженность теоретиков рассматривать эволюцию как процесс изменения частот генов в богатом генофонде, в котором доминируют силы массового действия, и является частью более крупное движение (начавшееся во время молекулярной революции) от неодарвинизма Современного Синтеза к версии мутационизма, основанной на популяционной генетике. Эта теория также упоминалась в литературе расширенного эволюционного синтеза под заголовком «Ошибка развития» . ^[47]

Отличие от других теорий мутационных эффектов

Теория предубеждений прибытия фокусируется на своего рода популяционно-генетической причинно-следственной связи, связывающей внутренние генеративные предубеждения, действующие до отбора, с предсказуемыми эволюционными тенденциями. Она отличается от других идей, которым не хватает такого же внимания к причинно-следственной связи, внутренним предубеждениям или процессу внедрения.

Эволюция под воздействием мутаций

В классических источниках эволюция под действием «мутационного давления» означает массовую трансформацию популяции путем мутационной конверсии, как у Уилсона и Боссерта (1971, стр. 42 ^[100]^[101] ). Общая оценка этой теории, вслед за Холдейном (1932) ^[102] и Фишером (1930) ^[88], заключается в том, что эволюция под действием мутационного давления неправдоподобна, поскольку она требует высоких частот мутаций, не противоречащих отбору. Кимура еще более пессимистично утверждал, что трансформация под воздействием мутационного давления займет так много времени, что ее можно будет игнорировать в практических целях. ^[62] Тем не менее, более поздние эмпирические и теоретические работы показали, что эта теория может быть ценной в таких случаях, как потеря сложного признака, кодируемого многими локусами, например, потеря споруляции в экспериментальных популяциях B. subtilis , случай, когда Частота мутаций, приводящая к утрате признака, была оценена как необычайно высокая . ^[103] $\mu =0.003$

Таким образом, теория мутационного давления и теория предвзятости прибытия описывают способы, которыми процесс мутации оказывает важное влияние, но они фокусируются на разных способах причинной обусловленности: влиянии либо на процесс фиксации (давление мутации), либо на процесс внедрения ( смещение прибытия). Эффективность мутационных тенденций этими двумя способами совершенно различна, например, только теория мутационного давления опирается на высокие темпы мутаций, которым не противостоит отбор.

Эволюция по генетическим линиям наименьшего сопротивления

Эволюционная количественная генетика, совокупность теорий, фокусирующаяся на высокополигенных количественных признаках, делает конкретные предсказания о мутационных эффектах, которые имеют некоторую эмпирическую поддержку. В стандартной теории набора количественных признаков постоянная вариация представлена матрицей дисперсий и ковариаций, которая зависит (сложным образом) от мутационных входных данных, представленных матрицей . Фенотипическая дивергенция будет иметь тенденцию выравниваться (в фенотипическом пространстве) с размером наибольшей изменчивости, и этот предсказанный эффект постоянной изменчивости наблюдался неоднократно. ^[104]^[105] Этот эффект (более подробно объясненный в « Ошибке развития ») называется адаптацией «по генетическим линиям наименьшего сопротивления» и может быть переформулирован (с вариациями в положительной роли) как адаптация по линиям максимального вариационного топлива. Когда дивергенция также совпадает с , это предполагает, что мутационная изменчивость формирует дивергенцию, но эта косвенная корреляция имеет другие интерпретации и не принимается в качестве диспозитивного доказательства. ^[106] $G$ $M$ $g_{max}$ $M$

Использование мутационной предвзятости в смысле асимметричного воздействия на средние значения признаков не является частью стандартной схемы. Когда смещение мутации включается в модели одного количественного признака при стабилизирующем отборе, результатом является небольшое отклонение от оптимального значения. ^[87]^[86] ^[85]

Таким образом, модели эволюционной количественной генетики фокусируются на проблемах другого типа, так что не существует простого перевода между (например) эффектами и эффектами предубеждений во внедрении. $M$

Мутационная непредвиденность

Эволюционные объяснения часто опирались на парадигму «объяснения равновесия» (гл. 5 из ^[36] ), в которой результаты объясняются обращением к выборочно оптимальному, без учета истории или деталей процесса (как объяснено в ^[38]). ) Однако в последние десятилетия внимание сосредоточилось на идее «непредвиденных обстоятельств», т. е. идее о том, что результат эволюции не может быть объяснен как предсказуемая или заранее определенная конечная точка детерминированного процесса, а идет по некоторому пути, который невозможно легко предсказать. или может быть предсказано только на основе знания деталей начальных условий и последующей динамики. «Мутационная» непредвиденная ситуация относится к случаям, в которых событие эволюции отчетливо связано с конкретной мутацией или мутационной горячей точкой, например. ^[107] в том смысле, что эволюционное изменение не произошло бы наблюдаемым образом, если бы отличительная мутация не произошла предполагаемым образом.

Это понятие отличается от теории смещений в процессе внедрения, поскольку оно представляет собой объяснительную концепцию (а не механизм), применяемую в идиографических объяснениях, т. е. объясняющих разовые события (символические события), ^[108] Теория смещений в процессе внедрения процесс внедрения представляет собой теорию общей причинности: результатом успешного применения теории является присвоение не символического объяснения, а общего объяснения, подобного этой закономерности, при которой происходит чаще, чем вызвано предвзятостью введения из-за более высокого вероятность мутационно-развитой конверсии . $A\rightarrow B$ $A\rightarrow C$ $A\rightarrow B$

Ограничения развития (предвзятость развития)

Понятие «ограничение» чревато.^[109] Грин и Джонс (2016) ^[110] утверждают, что биологи-эволюционисты используют его как гибкую объяснительную концепцию, а не как способ ссылки на конкретную причинную теорию, т.е. ограничение — это фактор с некоторым ограничивающим влиянием, который делает его прогнозирующий, даже если причинная основа этого влияния неясна.

Простое понятие ограничения развития заключается в том, что некоторые фенотипические формы не наблюдаются из-за невозможности (или, по крайней мере, очень сложно) создать в процессе развития ^[111] , например, многоножки с четным числом сегментов, несущих ноги. ^[112] То есть ограничение — это объяснение отсутствия фенотипов, основанное на вариационном эффекте (отсутствии) в рамках парадигмы, ориентированной на учет закономерностей существования фенотипов.

Другие ссылки на «ограничение» подразумевают скорее градуированные различия, чем абсолютную разницу между возможными и невозможными формами, например: ^[37] В то время как эффективность абсолютных предубеждений не требует специальной причинной теории (поскольку невозможная с точки зрения развития форма является эволюционно невозможной формой), идея градуированных предубеждений вызывает вопросы о причинности из-за конфликта с классической теорией Холдейна-Фишера». Аргумент противоположного давления», который утверждает, что простые вариационные тенденции неэффективны, поскольку уровень мутаций невелик. Основополагающая статья Мэйнарда Смита и др. «Ограничения развития» (1985) ^[37] отметили эту проблему, не предложив решения. Сторонников «ограничений» критиковали за неспособность обеспечить механизм. ^[38] Это проблема, которую Ямпольский и Штольцфус ^[3] пытались решить.

Тем не менее, теорию систематических ошибок прибытия нелегко сопоставить с концепцией «ограничения», поскольку последнее широко используется как синоним слова «фактор». В литературе эво-дево термин «ограничение» все чаще заменяется ссылками на отклонения в развитии . Однако концепция систематической ошибки развития часто связана с некоторой идеей облегченной изменчивости или эволюционности , тогда как теория систематической ошибки прибытия касается только популяционно-генетических последствий произвольных ошибок в возникновении вариаций.

Облегченная изменчивость, эволюционность и направленная мутация.

Теория предубеждений прибытия не требует и не подразумевает облегченных вариаций или направленных мутаций и сама по себе не является теорией эволюции способности к эволюции . Популяционно-генетические модели, используемые для иллюстрации теории, и эмпирические случаи, приведенные в поддержку теории, сосредоточены на эффектах различных форм мутационной предвзятости, где предвзятость всегда связана с каким-то измерением, отличным от приспособленности, например, с переходным периодом. смещение трансверсии, ^[72] смещение CpG, ^[13] или асимметрия двух признаков с разными мутабельностями. ^[6] То есть теория не предполагает, что предубеждения полезны в отношении приспособленности, и не предполагает, что мутация каким-то образом способствует адаптации отдельно от эффекта отбора (против ^[113] ). Фактически, многие модели иллюстрируют эффективность систематических ошибок прибытия, сосредотачиваясь на случае, когда наиболее благоприятные с точки зрения мутации результаты не являются наиболее подходящими вариантами, как в исходной модели Ямпольского-Штольцфуса, где один вариант имеет более высокую частоту мутаций, но меньшую пригодность. преимущество, а другой имеет более высокую физическую выгоду, но меньшую частоту мутаций. Теория не предполагает ни того, что мутационно благоприятные результаты являются более подходящими, ни того, что они менее подходят.