Wetenschappers van het Max Planck Instituut in Plön hebben aangetoond dat populatiestructuren die het effect van selectie versterken niet noodzakelijk ook leiden tot een hogere fitheid. In plaats daarvan is het van cruciaal belang voor het maximaliseren van fitness dat wordt voorkomen dat schadelijke mutaties zich vestigen.

Evolutionaire grafentheorie - een tak van theoretische biologie - onderzoekt hoe de populatiestructuur de kans kan beïnvloeden dat een mutant een populatie overneemt ("repareert") en hoe lang dit doorgaans duurt. In het verleden werd altijd gekeken naar het geval van een enkel, gemuteerd individu. In continu evoluerende systemen treden echter voortdurend nieuwe mutaties op.

Meestal komen deze echter niet overal voor, maar in toenemende mate waar individuen zich voortplanten. Op de lange termijn gaan zulke modellen dan uit van een evenwichtstoestand waarin fitness gemiddeld niet meer verandert.

Intuïtief is tot nu toe aangenomen dat selectieversterkers de gemiddelde fitheid van de populatie in dit evenwicht verhogen en selectieonderdrukkers de gemiddelde fitheid van de populatie in dit evenwicht verlagen. Nikhil Sharma en Arne Traulsen van de afdeling Evolutionaire Theorie van het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Biologie in Plön, Duitsland, konden echter aantonen dat een andere groep grafieken, de zogenaamde onderdrukkers van fixatie, de hoogste gemiddelde fitness kan bereiken van de populatie.

De belangrijkste reden hiervoor is hun vermogen om op efficiënte wijze te voorkomen dat schadelijke mutanten zich fixeren. "Dit benadrukt het belang van schadelijke mutanten voor de evolutionaire dynamiek op de lange termijn, die in de literatuur over het hoofd is gezien", zegt Nikhil Sharma.

De invloed van ruimtelijke structuur

Ruimtelijke structuur kan de evolutionaire dynamiek aanzienlijk beïnvloeden. Maar traditioneel is daarbij gekeken naar reguliere populatiestructuren, die geen invloed hebben op fixatiekansen. In de afgelopen jaren is echter gevonden dat niet-reguliere structuren zeer complexe invloeden hebben op fixatiewaarschijnlijkheden en -tijden.

Normaal gesproken wordt deze dynamiek bestudeerd door te kijken naar het fixatieproces van een enkele mutatie op een willekeurig gekozen locus, waardoor we structuren kunnen classificeren die het effect van selectie versterken. Het nieuwe model laat zien dat het fixatieproces van enkelvoudige mutaties in langdurige evolutionaire dynamiek wordt gekenmerkt door een balans tussen mutatie-, selectie- en willekeurige processen.

Het doel van dergelijke abstracte modellen is om de rol van populatiestructuur op evolutionaire processen te begrijpen. Theoretisch zou biotechnologie dergelijke structuren kunnen benutten om systemen robuust te maken tegen mutaties of om voordelige mutaties te selecteren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences . + Verder verkennen

Evolutie en ecologische competitie van meercellige levenscycli