Премия Просветитель

Zimin Foundation

«Эволюция на наших глазах»

После двух книг, посвященных эволюции человека и его ближайших предков, Александр Марков в некотором роде обращается к корням. Новая книга, написанная совместно с Еленой Наймарк, возвращает нас к эволюционным концепциям «Рождения сложности», только на новом материале и уже на совершенно другом уровне. Если первая книга известного популяризатора фокусировалась на курьезных исключениях и была в некотором роде развенчанием мифов вокруг устаревших «догм», то «Эволюция» — это рассказ о том, как самые последние исследования убедительно подтверждают ключевые положения теории Дарвина. Здесь мы приводим два фрагмента из четвертой главы «Эволюция на наших глазах». Она посвящена современным экспериментам по моделированию эволюционных процессов в лаборатории.



Приспособленность меняется постепенно

Начнем с самого масштабного и самого известного эволюци­онного эксперимента. В 1988 году группа биологов из Универ­ситета штата Мичиган под руководством Ричарда Ленски на­чала — и продолжает по сей день — уникальный эксперимент на бактериях, который позволил с небывалой доселе детально­стью проследить ход эволюции как на уровне генома (накоп­ление мутаций), так и на уровне целого организма (развитие адаптаций).

Эксперимент проводится параллельно с 12 популяциями кишечной палочки Escherichia coli. Эта бактерия — обычный обитатель кишечника теплокровных животных, включая чело­века. Все 12 подопытных популяций живут в аэробных усло­виях в жидкой прозрачной среде, где единственной пищей является глюкоза. Именно количество глюкозы является ли­митирующим фактором, ограничивающим размножение ми­кробов. С интервалом в сутки из каждой популяции берут небольшую часть (0,1 мл содержимого колбы) и пересаживают в новую колбу с 9,9 мл свежей питательной среды. Там бакте­рии быстро размножаются, пока не исчерпают запасы глюкозы. Таким образом, в течение каждого суточного цикла начальный период изобилия, когда численность популяции быстро растет, сменяется периодом голода, когда бактерии перестают размно­жаться и их численность стабилизируется. Численность бакте­рий оценивают по мутности среды — обычный и весьма на­дежный метод при наличии соответствующего оборудования.

Периодически часть каждой популяции замораживают при —80 °C (что ничуть не вредит здоровью микробов) и со­храняют для последующего изучения. Это мудро, потому что аналитические методики — в том числе методики секвениро-вания («прочтения») геномов — сейчас стремительно развива­ются и столь же стремительно дешевеют.

Регулярно проводится и оценка приспособленности. Для этого сравнивают скорость размножения подопытных и кон­трольных бактерий, причем в роли вторых выступают разморо­женные предки первых — исходный штамм, из которого были взяты родоначальники всех 12 экспериментальных популяций.

Кишечные палочки выгодно отличаются от баобабов тем, что позволяют Ленски и его коллегам ежегодно получать инте­ресные результаты и публиковать статьи в ведущих журналах. Так, в 2009 году они опубликовали в Nature отчет об эволюции одной из 12 популяций (Barrick et al., 2009). К этому времени длительность эксперимента уже была достаточной для того, чтобы каждая из возможных точечных мутаций (нуклеотид-ных замен) успела произойти в популяции более одного раза.

Авторы следили за темпом закрепления мутаций и изме­нением приспособленности. Напомним, что возникновение мутации и ее закрепление — не одно и то же. Далеко не всякая возникшая мутация закрепляется (фиксируется) в популяции. Каждая мутация изначально возникает только у одного ми­кроба. Чтобы мутация зафиксировалась, т. е. достигла 100-про­центной частоты, потомки этого микроба должны вытеснить всех остальных микробов в своей колбе. Вредная мутация, скорее всего, будет отсеяна отбором. Полезная мутация под действием отбора может закрепиться, но может и случайно потеряться, пока ее носители еще не успели как следует раз­множиться. Наконец, нейтральные мутации должны фикси­роваться с постоянной скоростью, равной скорости мутирова­ния (обо всем этом мы говорили в главе 1).

За первые 20 тыс. поколений в подопытной популяции зафиксировалось 45 мутаций, в том числе 29 однонуклеотид-ных замен и 16 иных мутаций (вставок, выпадений, инверсий, встраиваний мобильных элементов). Самое интересное, что скорость накопления мутаций на этом этапе была постоян­ной. Приспособленность вела себя иначе: сначала она быстро росла, а затем ее рост замедлился (см. рисунок).

Постоянная скорость фиксации, согласно теории, ха­рактерна для нейтральных мутаций. Однако все 45 мутаций не могли быть нейтральными. Ясно, что по крайней мере неко­торые из них были полезными — об этом свидетельствует рост приспособленности. Полученные результаты трудно увязать и с гипотезой о том, что все 45 мутаций были полезными. Ведь в этом случае обе величины — приспособленность и число накопленных мутаций, — скорее всего, должны были бы ме­няться сходным образом, т. е. или расти с постоянной скоро­стью, или параллельно замедляться.

Простейшее объяснение состоит в том, что среди 45 за­фиксировавшихся мутаций большинство были нейтральными, а некоторые — полезными. Основная масса полезных мутаций зафиксировалась вскоре после начала эксперимента, т. е. после попадания микробов в новые для них условия, к которым они были плохо приспособлены. Но возможности для «полезного мутирования» быстро исчерпались, и в дальнейшем фиксиро­вались в основном нейтральные мутации.

Есть, однако, четыре аргумента против такого объяснения.

  1. В случае преобладания нейтральных мутаций должно быть повышено число синонимичных нуклеотидных замен. Вопреки этим ожиданиям все без исключения за­фиксировавшиеся мутации в кодирующих областях генов оказались значимыми (несинонимичными). Резкое пре­обладание значимых замен над синонимичными — это характернейшая «подпись», оставляемая в геноме положи­тельным отбором.
  2. В случае преобладания нейтральных мутаций следует ожидать, что во всех 12 экспериментальных популяциях за 20 тыс. поколений мутации зафиксировались в раз­ных генах. Напротив, мутации в одних и тех же генах, закрепившиеся независимо в разных популяциях, будут доводом в пользу того, что мутации фиксировались под действием положительного отбора, а не генетического дрейфа (т. е. мутации были полезными). Чтобы прове­рить это, авторы отсеквенировали у бактерий поколения № 20 000 из остальных одиннадцати экспериментальных популяций 14 генов, в которых у первой популяции за­крепились мутации. Оказалось, что в большинстве слу­чаев в других популяциях эти гены тоже изменились.
  3. Если бы большинство мутаций были нейтральными, на­блюдалась бы значительная внутрипопуляционная измен­чивость по этим локусам (потому что полезные мутации под действием отбора фиксируются быстро, а нейтраль­ные сначала должны долго «случайно блуждать» между нулевой и 100-процентной частотой). Это предположе­ние не подтвердилось.
  4. При помощи генной инженерии авторы смогли напрямую определить степень полезности девяти мутаций из рассма­триваемых 45. Эти мутации искусственно внедряли в ге­ном предкового штамма. В восьми случаях из девяти при­способленность бактерий резко повысилась. Что касается девятой мутации, то авторы думают, что она тоже полезна, но не сама по себе, а в сочетании с другими мутациями, потому что точно такая же мутация закрепилась у других подопытных популяций.

Таким образом, в течение первых 20 тыс. поколений в популя­ции фиксировались преимущественно полезные мутации, причем их фиксация шла с постоянной скоростью. Замедление роста приспособленности, очевидно, было связано с тем, что средняя степень полезности мутаций постепенно снижалась. Наиболее радикальные адаптивные изменения произошли в течение первых 2 тыс. поколений, а затем происходила более тонкая настройка.

До сих пор речь шла только о первой половине экспери­мента. Во второй его половине эволюционная динамика по­пуляции резко изменилась. Дело в том, что после 26 тыс. поко­лений зафиксировалась мутация в гене mutT. Этот ген кодирует белок, участвующий в репарации (починке) ДНК. В результате частота мутирования выросла примерно в 70 раз (от 1,6×10—10 до 1,1×10—8 на нуклеотид за поколение). Как следствие, более чем на порядок выросла и частота фиксации мутаций. В тече­ние второй половины эксперимента зафиксировалось 609 му­таций — в 13,5 раза больше, чем за первые 20 тыс. поколений.

Аналогичные мутации, увеличившие темп мутагенеза, закрепились и в нескольких других экспериментальных по­пуляциях. Из этого следует, что рост темпов мутагенеза дал бактериям адаптивное преимущество. Это, между прочим, противоречит распространенной идее о том, что в стабильных условиях организмам было бы выгодно снизить темп мути­рования до нуля — и этого не происходит только из-за тех­нической невозможности обеспечить абсолютную точность копирования ДНК.

Мутаторы

Мутации, повышающие скорость мутирования, закрепляются во многих эволюционных экспериментах на бактериях. Гены (точ­нее, генетические варианты — аллели), несущие такие мутации, называют аллелями-мутаторами или просто мутаторами. Аллелем-мутатором может стать любой ген, нормальная работа которого важна для точной репликации или репарации, если его слегка «подпортит» случайная мутация.

Нужно иметь в виду, что «полезность» мутаторов не прямая, а косвенная. Сама по себе повышенная скорость мутагенеза снижает приспособленность организмов, потому что большинство мутаций, как известно, вредны. Все очень просто: чем интенсивнее мутагенез, тем больше мутаций у потомков и, следовательно, тем ниже их средняя приспособленность. Это и значит, что мутатор не приносит прямой пользы — наоборот, он приносит прямой вред. Косвенная же польза заключается в том, что нет-нет да и возникнет у какого-нибудь носителя аллеля-мутатора редкая, маловероят­ная полезная мутация. Причем настолько полезная, что ее польза перевесит вред, приносимый мутатором напрямую. Поскольку полезная мутация маловероятна, она скорее возникнет у носителя аллеля-мутатора, чем у организма с низкой скоростью мутирования. В результате адаптивное преимущество получит организм, несущий редкую полезную мутацию, а заодно и аллель-мутатор — в каче­стве неприятной, но неизбежной «нагрузки». Этот организм и его потомки будут размножаться быстрее других, постепенно вытесняя из популяции конкурентов и распространяя в генофонде обе свои генетические особенности — полезную мутацию и аллель-мутатор. Генетики называют такой способ распространения аллелей hitchhiking — езда автостопом. Имеется в виду, что мутатор «едет автостопом» на полезной мутации, распространяясь в генофонде вопреки тому, что сам по себе он вообще-то вреден.

«Автостоп» прекрасно работает в бесполых популяциях, где связку «полезная мутация — аллель-мутатор» невозможно разо­рвать. Обычно именно с такими бактериями — бесполыми, нарочно лишенными способности к горизонтальному переносу генов — и ра­ботают экспериментаторы. В эксперименте Ленски тоже исполь­зуются бесполые кишечные палочки. Если бы бактерии могли меняться генами, эволюционные судьбы двух аллелей не были бы столь неразрывными. Обязательно появились бы бактерии, несу­щие полезную мутацию, но не имеющие мутатора. Эти бактерии стали бы вытеснять тех, у кого два аллеля остались «в связке».

При действующем горизонтальном переносе генов мутатору куда труднее зафиксироваться. Он может даже быть полностью вытеснен из генофонда — конечно, если не успеет до этого момента сгенери­ровать у кого-то из своих носителей еще одну полезную мутацию.
Мутация, повысившая темп мутагенеза, увеличила вероятность возникновения новых полезных мутаций, когда простые (вы­соковероятные) пути для этого уже были пройдены. И в этом состояло единственное благо от ускорения мутагенеза. Но при этом в качестве побочного эффекта должно было вырасти число вредных и нейтральных мутаций.

Поэтому следовало ожидать, что теперь большинство фиксирующихся мутаций будут не полезными, а нейтраль­ными. Как мы помним, скорость фиксации нейтральных му­таций в популяции равна скорости мутагенеза. Действительно, в первые 20 тыс. поколений фиксировалось очень мало ней­тральных мутаций, а большая часть из 609 «поздних» мутаций оказались нейтральными.

Результаты эксперимента оказались во многом неожи­данными. Например, мало кто ожидал, что постоянный темп накопления полезных мутаций может сопровождаться замед­ляющимся ростом приспособленности или что соотношение темпов фиксации нейтральных и полезных мутаций может так резко меняться. Очевидно, количественные соотношения ме­жду разными аспектами эволюционного процесса (нейтрально­стью и адаптивностью, дрейфом и отбором, темпами изменений на уровне генотипа и фенотипа) могут быть более сложными, неоднозначными и переменчивыми, чем предполагалось.


[...]


Как происходит гонка вооружений

Эволюционная «гонка вооружений» — один из самых мощ­ных двигателей эволюции. Если бы среда обитания оставалась строго постоянной, отбор, скорее всего, привел бы строение и физиологию организма к локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или прекратиться. Но среда не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важней­шие параметры среды зависят от других живых существ. Изме­нения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, заставляя приспосабливаться первых, и так до бесконечности. Гонка вооружений может идти как между разными видами (например, когда газели и гепарды «соревну­ются» друг с другом в скорости бега), так и внутри вида (той же газели, чтобы выжить, важно обогнать не гепарда, а хотя бы одну другую газель) или, например, между самцами и самками.

Эти соображения легли в основу «гипотезы Черной Коро­левы», о которой мы рассказали в главе 3. Согласно этой гипо­тезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).

Гипотеза подтверждается многочисленными косвенными фактами, но есть и прямые эксперименты. В одном из таких британские зоологи рассмотрели сопряженную антагонисти­ческую эволюцию паразитов и их хозяев и показали, как гонка вооружений повышает генетическое разнообразие и ускоряет эволюционные изменения (Paterson et al., 2010). В качестве мо­дельной системы «паразит — хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Ф2. В этой си­стеме действительно происходит эволюционная гонка воору­жений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al., 2007). С этой системой удобно работать, потому что вирусы и зараженные ими бактерии можно в любой момент разделить: бактерии можно «вылечить» от вирусов при помощи специаль­ных препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.

Итак, гонка начинается. Ее участники — 12 популяций одинаковых бактерий (потомков одной клетки) и исходно одинаковые вирусы. Каждая популяция содержала 10 млн бак­терий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (Э) и «коэволюция» (К).

В популяциях группы Э было позволено эволюциониро­вать только вирусам, а бактерии при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) за­меняли исходными, «наивными» микробами. В группе К позво­лялось эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Экспе­римент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы геномы вирусов в каждой из 12 популяций. Их затем сравнивали с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).

Оказалось, что у вирусов К в ходе эксперимента зафик­сировалось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы Э (в среднем 11 мутаций). Таким об­разом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет эволюционные изменения.

Популяции из группы К не только накопили больше отличий от исходного вируса, они и друг от друга стали от­личаться сильнее, чем популя­ции Э. Вирусы К ближе подо­шли к превращению в шесть разных вирусов. Это зна­чит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, способствует генетической дивергенции (расхождению) и видообразованию.

Соответствует ли гене­тическое расхождение фагов расхождению по фенотипу, т. е. по способности заражать те или иные бактерии? В по­исках ответа биологи вносили разных подопытных виру­сов в каждую из шести по­пуляций бактерий, коэволю-ционировавших с вирусами, и подсчитывали число «удач­ных» заражений. Оказалось, что вирусные популяции К различаются по способно­сти заражать бактерий из раз­ных линий, т. е. имеют разные «спектры инфекционности». Чем выше генетическое сход­ство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционно-сти. Характерно, что ни один из вирусов Э не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы К. Полу­чилось, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от фагов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали в гонке. Кстати, для бактериофагов неспособность заразить один и тот же штамм бактерий означает репродук­тивную изоляцию, т. е. невозможность обмена генетиче­ским материалом. Вирусный «секс» может происходить между двумя вирусами, только если они совместно инфицируют одну и ту же клетку. Таким образом, изменение спектров инфекци-онности у подопытных вирусов — это настоящее «видообра­зование в пробирке».

Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы К накопили больше мутаций, чем вирусы Э (таких ге­нов было выявлено четыре), участвуют в прикреплении фага к бактериальной клетке. От успешности этой процедуры зави­сит, сумеет ли фаг заразить бактерию. По-видимому, именно эти гены являются для вирусов теми «вооружениями», от кото­рых зависит успех в «гонке».


Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.