Гонка вооружений — двигатель эволюции

Эксперименты с вирусами Ф2 и их жертвами, бактериями Pseudomonas fluorescens, подтвердили классические представления, согласно которым эволюционная «гонка вооружений» резко ускоряет накопление генетических различий и способствует дивергенции (расхождению) эволюционирующих линий. Вирусы, вынужденные приспосабливаться к эволюции своих жертв, накапливали мутации быстрее и становились более разнообразными по сравнению с теми вирусами, которым исследователи позволили из поколения в поколение паразитировать на генетически идентичных (не эволюционирующих) бактериях.

Эволюционные «гонки вооружений» (evolutionary arms race), по-видимому, являются одним из самых мощных двигателей эволюции. Если бы среда обитания организмов оставалась строго постоянной, естественный отбор, скорее всего, привел бы их строение и физиологию к некому локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или вовсе прекратиться. Но среда обитания не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важнейшие параметры среды зависят от других живых организмов. Эволюция постоянно подстегивается положительными обратными связями, потому что изменения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, и так далее, 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, не так важно обогнать гепарда, как хотя бы одну другую газель), или, например, между самцами и самками (см.: П. Н. Петров. Самцы жуков-плавунцов насильники и убийцы; Sexual conflict).

Эти соображения легли в основу широко известной «гипотезы Черной королевы» (Red Queen’s hypothesis), о которой мы рассказывали в заметке Современные паразиты опаснее прошлых и будущих («Элементы», 12.12.2007). Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность (эффективность размножения) на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).

Всё это кажется достаточно простым и очевидным, но получить прямое экспериментальное подтверждение этих моделей не так-то просто, потому что эволюция, как известно, процесс медленный. Впрочем, биологи уже наловчились ставить красивые эксперименты по «эволюции в пробирке», используя для этого модельные объекты с быстрой сменой поколений, такие как бактерии, вирусы, дрожжи, насекомые или круглые черви.

В новой статье, опубликованной на сайте журнала Nature, британские биологи сообщили о новом экспериментальном подтверждении теоретических представлений, согласно которым антагонистическая сопряженная эволюция паразитов и их хозяев ускоряет эволюционные изменения и способствует росту генетического разнообразия (что, в свою очередь, является важнейшей предпосылкой для видообразования). В качестве модельной системы «паразит–хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Ф2. С этой системой удобно работать, потому что вирусов и зараженных ими бактерий можно в любой момент разделить: бактерий можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных химических препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.

Ранее авторы уже установили, что в этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al. Experimental coevolution with bacteria and phage: the Pseudomonas fluorescens–Ф2 model system // Infect. Genet. Evol. 2007. V. 7. P. 547–552). До сих пор эти изменения анализировались только на уровне фенотипа (по способности вирусов заражать тех или иных бактерий и по способности бактерий защищаться). Оставались неизвестными молекулярные механизмы адаптации и скорость изменений на уровне ДНК (скорость молекулярной эволюции).

В эксперименте использовались бактерии, которые изначально были генетически идентичными, и исходно одинаковые вирусы. Всего было создано 12 подопытных популяций, каждая из которых изначально содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (E) и «коэволюция» (C).

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

Оказалось, что у вирусов из группы C в ходе эксперимента закрепилось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы E (в среднем 11 мутаций). Чем «появление» мутации отличается от ее «закрепления», см. в заметке Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений («Элементы», 02.11.2009). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет накопление изменений на уровне ДНК (молекулярную эволюцию).

Популяции из группы C не только накопили больше отличий от исходного вируса. Они и друг от друга стали отличаться намного сильнее, чем популяции из группы E. Иными словами, вирусы из группы C значительно ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, действительно способствует генетической дивергенции и, в конечном счете, видообразованию.

Соответствует ли генетическая дивергенция фагов из шести популяций группы C дивергенции по фенотипу, то есть по способности заражать тех или иных бактерий? В поисках ответа авторы пытались заразить этими вирусами каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших вместе с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что шесть вирусных популяций различаются по своей способности заражать тех или иных бактерий, то есть имеют разные «спектры инфекционности». При этом чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционности. Характерно, что ни один из вирусов группы E не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы C. Получается, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от подобных вирусов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали от них в эволюционной гонке.

Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы из группы C накопили больше мутаций, чем вирусы из группы E (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 четыре гена являются для вирусов теми «вооружениями», на которые они делают ставку в «гонке».

Еще один интересный результат состоит в том, что в шести популяциях группы E многие эволюционные изменения оказались одинаковыми, то есть под действием одинаковых факторов отбора в разных популяциях закрепились одни и те же мутации. В популяциях группы C доля таких параллелизмов была ниже (см.: Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006).

Данная работа интересна прежде всего как хороший пример прямого экспериментального подтверждения теоретических моделей, давно уже ставших общепринятыми, но до сих пор опиравшихся в основном на косвенные данные.

Источник: www.elementy.ru

Ещё в разделе

Лед в Арктике могут растопить волны

Лед в Арктике могут растопить волны "дальнего плавания"

Волны северной части Тихого океана легко достигают ледяного шельфа Арктики

Представлен новый вариант классификации останков древних организмов возрастом около 400 миллионов лет

Представлен новый вариант классификации останков древних организмов возрастом около 400 миллионов лет

Американские исследователи высказали предположение о том, что останки прототакситов, существовавших 420–370 млн лет назад в силурийском и девонском периодах, образовались в результате сворачивания сплетений миксотрофных печеночных мхов.

Выявлены закономерности эволюции мозга приматов

Выявлены закономерности эволюции мозга приматов

Исследователи из Кембриджского и Даремского университетов (оба — Великобритания) показали, что эволюционное увеличение относительной и абсолютной массы мозга характерно не для всех групп животных отряда приматов

Самые старые следы на Земле

Самые старые следы на Земле

Открытие следов, возрастом в 397 миллионов лет, позволяют отодвинуть дату появления первых тетраподов.

Современные методы анализа ДНК открывают новые возможности археологам

Современные методы анализа ДНК открывают новые возможности археологам

ДНК, который остался в останках давно умерших растений, животных или людей, помогает напрямую заглянуть в историю эволюции.

Человек деградирует в обезьяну

Человек деградирует в обезьяну

Американские ученые пришли к выводу о том, что человечество постепенно возвращается к «истокам», то бишь, приобретает утраченные в процессе эволюции гены, свойственные приматам.

Заселение Азии началось из Индии

Заселение Азии началось из Индии

Жителей Азии объединяет общее происхождение - все они являются выходцами из Индии

Клетки нашего тела намного младше нас самих

Клетки нашего тела намного младше нас самих

Из одной научно-популярной книги в другую кочует утверждение: наше тело почти полностью обновляется за семь лет.

Откуда ноги растут

Откуда ноги растут

Почему динозавры не успели забраться в Ноев ковчег

Окаменелости отбрасывают назад происхождение ключевых групп растений на миллионы лет

Окаменелости отбрасывают назад происхождение ключевых групп растений на миллионы лет

Палеоботаники, исследующие место у Мертвого моря, обнаружили удивительную связь между сегодняшними хвойными лесами в Южном полушарии и невообразимо отдаленным временем, разорванным глобальным катаклизмом. Изысканно сохранившиеся окаменелости растений показывают подокарпы, группу древних вечнозеленых растений, включающую древесину Желтого дерева Южной Африки (Podocarpus latifolius)  и красную сосну Новой Зеландии, которые процветали в Пермский период более 250 миллионов лет назад.

Обнаружены еще родственники динозавров

Обнаружены еще родственники динозавров

Группа ученых, в которую вошли представители из разных стран в том числе и с России, смогла доказать, что щелезубы – семейство млекопитающих из отряда насекомоядных – сохранились на нашей планете со времен древних ящеров. Установить этот факт удалось после анализа ДНК вышеупомянутого животного.

Карликовые головоногие моллюски «приписали» себе еще один вид

Карликовые головоногие моллюски «приписали» себе еще один вид

Биологи Ян-Мари Страгнел (Jan Maree Strugnell) из Университета Джеймса Кука и Мэнди Рейд (Mandy Reid) из Исследовательского института Австралийского музея смогли обнаружить и описать новый вид карликовых головоногих моллюсков, принадлежащих к отряду сепиолид.

Климатические условия отрицательно сказались на насекомых

Климатические условия отрицательно сказались на насекомых

Благодаря последнему исследованию удалось выяснить, что в связи с повышением средней температуры воздуха размеры тела у многих видов жуков начинают уменьшаться. Нет информации о том, как продолжался этот процесс на протяжении последних столетий, но стало известно, что за почти полвека длина тела у многих крупных жуков уменьшилась на 20%.

Появились новые космические путешественники

Появились новые космические путешественники

В одном авторитетном издании появилась статья о том, что вирусы способны путешествовать в космосе. До настоящего момента было принято считать, что вышеупомянутой способностью обладают только бактерии или археи. И теперь, по мнению ученых, наступило время поговорить о новом научном направлении – астровирусологии.

Эволюция человека: популярный «стереотип» – сломан!

Эволюция человека: популярный «стереотип» – сломан!

Группа ученых из Института Макса Планка и Гавайского университета в Маноа, после проведенного исследования, пришла к выводу, что древние Homo sapiens несколько раз покидали Африку и смешивались с другими гоминидами.

Имел ли тирекс уникальное смертельное оружие

Имел ли тирекс уникальное смертельное оружие

Палеонтолог Стивен Стэнли (Steven Stanley) из Гавайского университета в Маноа уверен, что маленькие передние лапы одного из самых страшных ящеров прошлого – тираннозавра, выполняли роль так называемой «машины для убийства». Ученый утверждает, что именно этими миниатюрными лапками динозавр наносил своей жертве смертельные раны.

Уникальная находка китайских ученых открыла новые грани в эволюции деревьев

Уникальная находка китайских ученых открыла новые грани в эволюции деревьев

Китайские ученые нашли несколько прекрасно сохранившихся окаменелостей деревьев, возраст которых составляет около 390 млн. лет. По всем признакам деревья принадлежали к вымершему классу кладоксилопсидов. Главным отличием этих растений, были внешние – по форме они напоминали грибы. Кроме того, были и отличия в строении, в частности, речь идет о структуре водопроводящих тканей.

Новое открытие в эволюции организмов

Новое открытие в эволюции организмов

Группа ученных из разных стран под руководством Ричарда Ленски опровергла общепринятую гипотезу, следуя которой эволюция прекращается, после максимального приспособления вида к окружающей среде. Говоря иными словами – после достижения эволюционного оптимума.

Английские палеонтологи нашли уникальные останки

Английские палеонтологи нашли уникальные останки

Палеонтологами из Бирмингемского университета были найдены останки древнего морского ящера – ихтиозавра. Уникальность находки состояла в том, что в животе ящера находилось огромное количество кальмаров. Исследователи полагают, что животное могло умереть в результате переедания. Ученые представили материалы своего исследования в одном из авторитетных научных изданий.

Оценка:

Пока комментариев нет