자연 선택은 다윈 이후로 진화론의 초석이었습니다. 그러나 자연 선택의 수학적 모델은 종종 생물 학자들이 그것을 이해했던 것보다 진화를 더 어렵게 만드는 어색한 문제로 인해 종종 경멸되었습니다. Communications Biology 에 나타나는 새로운 논문에서 , 오스트리아와 미국의 여러 분야의 과학자 팀은 수수께끼에서 벗어날 수있는 가능한 방법을 식별합니다. 그들의 대답은 여전히 본질적으로 일어나는 일에 대해 확인해야하지만 어쨌든 인공 상황에서 자연 선택을 장려 해야하는 생명 공학 연구원과 다른 사람들에게 유용 할 수 있습니다.
.자연 선택을 통한 진화론의 중심 전제는 유익한 돌연변이가 나타날 때 인구 전체에 퍼져야한다는 것입니다. 그러나이 결과는 보장되지 않습니다. 무작위 사고, 질병 및 기타 불행은 새롭고 희귀 할 때 돌연변이를 쉽게 지울 수 있습니다. 통계적으로 종종 가능성이 높습니다.
그러나 돌연변이는 이론적으로 어떤 상황에서는 다른 상황보다 더 나은 생존 가능성에 직면해야합니다. 예를 들어 한 섬에서 함께 살고있는 많은 유기체 인구를 상상해보십시오. 이점이 크지 않으면 돌연변이가 군중에서 영구적으로 잃어 버릴 수 있습니다. 그러나 소수의 개인이 정기적으로 자신의 섬으로 이주하여 번식한다면, 겸손하게 도움이되는 돌연변이가 발판을 설정하고 주요 인구로 확산 될 가능성이 더 높을 수 있습니다. (다시 말하지만, 결과는 시나리오의 정확한 세부 사항에 전적으로 의존 할 것입니다.) 생물 학자들은 이러한 인구 구조를 연구하여 유전자가 어떻게 흐르는 지 이해합니다.
.오늘날 하버드 대학교의 진화 역학 프로그램 책임자 인 Martin Nowak은 2003 년 암의 행동을 연구하면서 인구 구조가 어떻게 진화 결과에 영향을 줄 수 있는지에 대해 생각하기 시작했습니다. "나에게 암은 유기체가 원하지 않는 진화 과정이라는 것이 분명했다"고 그는 말했다. "나는 나 자신에게 물었다. 어떻게 진화를 제거하겠습니까?" 돌연변이를 공격하는 것은 하나의 해결책 이었지만 Nowak은 깨달았지만 공격은 또 다른 것이 었습니다.
문제는 생물 학자들이 특정 인구 구조가 자연 선택에 어떤 영향을 줄 수 있는지에 대한 느슨한 아이디어 만 가지고 있다는 것입니다. 더 일반화 가능한 전략을 찾기 위해 Nowak은 그래프 이론으로 바뀌 었습니다.
수학적 그래프는 항목 세트 사이의 동적 관계를 나타내는 구조입니다. 개별 항목은 구조의 정점에 있습니다. 모든 항목 쌍 사이의 선 또는 가장자리는 연결을 설명합니다. 진화 적 그래프 이론에서, 개별 유기체는 모든 정점을 차지합니다. 시간이 지남에 따라 개인은 동일한 자손을 산란시킬 확률이 있으며, 이는 인근 정점에서 개인을 대체 할 수 있지만 차세대의 일부 개인으로 대체 될 위험에 직면 해 있습니다. 이러한 확률은 구조물에 "가중치"로, 정점 사이의 선의 방향으로 연결됩니다. 가중치 연결의 올바른 패턴은 살아있는 인구의 행동에 견딜 수 있습니다. 예를 들어, 나머지 인구로부터 계보가 분리 될 가능성이 높아지는 연결은 마이그레이션을 나타낼 수 있습니다.
그래프를 사용하면 Nowak은 다양한 인구 구조를 수학적 추상화로 묘사 할 수 있습니다. 그는 각 시나리오에서 추가 피트니스를 가진 돌연변이 체가 어떻게 운영 될지 엄격하게 탐구 할 수있었습니다.
이러한 노력으로 2005 년 자연이 생겼습니다 Nowak과 두 동료가 특정 인구 구조가 자연 선택의 영향을 억제하거나 향상시킬 수 있는지를 보여주었습니다. 예를 들어, "파열"및 "경로"구조를 가진 집단에서는 개인이 조상이 보유한 그래프에서 위치를 차지할 수 없습니다. 이러한 구조는 유리한 돌연변이를 거부함으로써 인구를 인수 할 수있는 기회를 거부함으로써 진화를 진화시킨다.
그러나 적합한 돌연변이가보다 효과적으로 퍼지는 별이라는 구조의 경우 반대가 사실입니다. 별은 자연 선택의 효과를 확대하기 때문에 과학자들은 그것을 증폭기로 표시했습니다. 더 나은 슈퍼 스타는 더 나은 슈퍼 스타입니다. 그들은 약간 더 적합한 돌연변이 체가 결국 다른 모든 개인을 대체 할 수 있기 때문에 강한 앰프라고 불렀습니다.
Nowak은“강력한 증폭기는 유리한 돌연변이의 성공을 보장하기 때문에 놀라운 구조입니다. "진화에 관한 모든 것이 확률 론적이며, 여기서 우리는 어떻게 든 확률을 거의 확실하게 바꿉니다."
.그러나 그 확실성은 캐치와 함께왔다. 대부분의 잠재적 인구 구조는 이론적으로 강한 증폭기가 될 수없는 것처럼 보이지 않았습니다. 몇몇 다른 사람들은 가능성처럼 보였지만 현실적보다는 고안된 것처럼 보였고, 너무 복잡하여 증폭기로서의 상태가 증명 될 수 없었습니다. (슈퍼 스타 작품이 불과 2 년 전 옥스포드 대학교의 한 그룹에서 나왔다는 공식적인 증거는“약 100 페이지의 밀도가 높은 수학과 함께”복잡한 논문이라고 설명했다.
그러나 10 년 전, Nowak의 공동 작업자 중 한 명인 과학 기술 연구소의 컴퓨터 과학 연구원 인 Krishnendu Chatterjee 도이 문제에 관심을 갖게되었습니다. 그와 그의 그룹은 이미 그래프 이론과 확률과 관련된 유사한 문제에 대한 이해를 개발하는 데 몇 년을 보냈으며, 그들이 개발 한 직관과 통찰력 이이 진화 문제에 유용 할 수 있다고 생각했습니다.
.증폭기, Chatterjee와 그의 학생들 Andreas Pavlogiannis (현재 École polytechnique fédérale de lausanne, epfl) 및 Josef Tkadlec을 건설하는 열쇠는 그래프 내에서 연결의 가중치에있었습니다. 그들은 모든 잠재적 인 강력한 증폭기가 허브 및 셀프 루프와 같은 특정 기능을 가지고 있음을 깨달았습니다. 그런 다음 연결에 올바른 가중치를 할당함으로써 간단한 인구 구조 내부에 강력한 증폭기를 만들 수 있음을 보여주었습니다. Nowak은“거의 모든 인구 구조가 무게를 조정함으로써 강력한 앰프가 될 수 있음을 보여주는 것은 매우 놀라운 일입니다.”라고 Nowak은 말했습니다.
최근 및 이전 논문은 진화의 의미있는 힘으로 인구 구조의 사례를 만듭니다. “버스트”처럼 작용하는 모든 인구는 진화론적인 막 다른 골목이 될 것입니다. 상호 관계의 세부 사항이 무엇이든 상관없이 그 안에 나타나는 유리한 돌연변이는 결코 이륙하지 않을 것입니다. 다른 인구 구조는 자동으로 자연 선택을 향상시키지 못할 수 있지만, 대부분은 적어도 적어도 유리한 돌연변이를 증폭시키고 진화를 돕는 손에 도움을 줄 가능성이 있습니다.
.과학자들의 발견에는 몇 가지 중요한 경고가 있습니다. 하나는이 연구에서 인구 모델이 박테리아 및 기타 미생물과 같은 무성 유기체에만 적용된다는 것입니다. Nowak과 Chatterjee는 성적 재생산에서 발생하는 유전자의 도매 재구성을 고려하면 모델을 엄청나게 복잡하게 할 것이라고 말했다. 모델링 된 인구가 성장하거나 축소되도록하는 결과도 결정해야합니다.
또 다른 문제는 강력한 증폭기가 인구를 통해 유용한 돌연변이가 불가피하게 퍼질 것이라고 보장하지만, 신속하게 일어날 것이라고 보장하지 않는다고 Nokak은 말했다. 일부 인구가 자연 선택이 덜 확실하지만 더 신속한 구조로부터 혜택을 볼 수있는 것은 전적으로 가능합니다.
뉴질랜드 웰링턴 빅토리아 대학교 (Victoria University of Wellington)의 부교수 인 마커스 프랜 (Marcus Frean)은 중요한 고려 사항입니다. 그와 그의 동료들이 2013 년에 발표 한 작업은 자연 선택을 증폭시키는 인구 구조에서도 진화율이 실질적으로 속도를 늦출 수 있음을 보여줍니다. 돌연변이가 인구를 인수 할 것이라는 확실성과 그 속도가 종종 서로 반대 할 수 있습니다. Frean은 이메일로 설명했습니다.“우리가 진정으로 신경 쓰는 것은 두 가지 모두와 관련이 있습니다.
그럼에도 불구하고 Nowak, Chatterjee 및 동료들은 강력한 증폭기를 구성하기위한 알고리즘이 바람직한 돌연변이 체의 출현을 육성하거나 더 빠르게 성장하는 세포의 균주를 스크리닝하려는 세포 배양과 함께 일하는 연구원들에게 여전히 유용 할 수 있다고 논문에서 제안합니다. 미세 유체 성장 시스템은 세포가 혼합하고 이동하는 방법을 제어하여 원하는 집단 구조를 생성하도록 조정될 수 있습니다.
그러나 아마도 그들의 작업을 더 흥미로운 적용은 이러한 강력한 증폭기가 이미 본질적으로 발견 될 수있는 위치를 식별하는 것일 수 있습니다. Nowak과 그의 동료들은 예를 들어 면역 학자들이 비장과 림프절의 면역 세포 집단이 이러한 구조적 특징을 보여줄지 여부를 확인할 수 있다고 제안합니다. 그들이 그렇게한다면, 자연 선택이 때때로 삶의 도전에 대한 좋은 해결책으로 선호한다는 것을 증명할 수 있습니다.
이 기사는 Wired.com에서 재 인쇄되었습니다.
