|
Различия между экспериментальной эволюцией и естественной адаптацией
|
|
|
|
Люди невольно проводили эксперименты по эволюции на протяжении тысячелетий, одомашнивая растения, животных и грибы. Начиная с основополагающих экспериментов Уильяма Даллинджера в конце 19 века, такие эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях, чтобы лучше понять процессы и ограничения эволюции. Эволюционные эксперименты обычно включают в себя воздействие на организм четко определенного селективного давления (например, экстремальной температуры, ограниченного количества питательных веществ или присутствия токсичного соединения) и последующего изучения того, как он приспосабливается к этим новым условиям. Самый продолжительный эксперимент по контролируемой эволюции был начат в 1998 году Ричардом Ленски и продолжается по сей день, в нем задействовано более 60 000 поколений бактерии Escherichia coli.
|
|
|
|
Хотя эти эксперименты позволили получить фундаментальное представление об эволюционных процессах, таких как адаптация, отбор и мутация, ясно, что естественная эволюция происходит в гораздо более сложных условиях. Новое исследование, опубликованное в журнале Genome Biology and Evolution, проливает новый свет на то, как лабораторная эволюция может отличаться от того, что происходит в природе. По словам соавтора Рут Хершберг, доцента Израильского технологического института Технион, их «результаты показывают, что лабораторная адаптация, возникающая в ответ на довольно простые и сильные воздействия, часто может происходить посредством мутаций, которые либо не могут происходить в природе, либо очень преходящи, если они происходят».
|
|
|
Исследование, в соавторстве с Технионом Ph.D. студентка Ясмин Коэн, стремилась объяснить очевидный парадокс, замеченный авторами, когда они размышляли над мутациями, выявленными в их собственных эволюционных экспериментах с бактериями: а именно, что белки, в которых чаще всего происходят мутации в лаборатории, те же, что и те, которые изменяются больше всего. медленно в течение длительных эволюционных временных масштабов. Для дальнейшего изучения этого наблюдения Коэн и Хершберг специально изучили два гена, кодирующие основной фермент РНК-полимеразы (РНК-полимераза), которые, как было показано во многих независимых лабораторных экспериментах по эволюции E. coli, участвуют в адаптации к адаптации, виды, наиболее часто используемые для этих целей. виды экспериментов.
|
|
|
|
Их обзор литературы выявил адаптивные мутации в 140 положениях аминокислот в этих белках в ответ на 12 различных лабораторных условий, включая воздействие антибиотиков, длительное истощение ресурсов, рост при высоких температурах и рост в среде с низким содержанием питательных веществ (минимум). Удивительно, но в этих адаптивных сайтах было очень мало совпадений: только четыре из 140 появлялись более чем в одном состоянии. Кроме того, сравнивая эти сайты с остальной частью белковой последовательности бактериальных линий, авторы обнаружили, что не только адаптация в лаборатории происходит посредством мутаций высококонсервативных белков, но даже в белках РНКПК аминокислотные сайты обычно мутируют. в лабораторных экспериментах, как правило, более консервативны в природе, чем другие положения в этих белках.
|
|
|
|
Дальнейший анализ выявил ряд интригующих закономерностей. Положения, в которых происходила адаптация в лабораторных экспериментах, также имеют тенденцию попадать в определенные функциональные домены белка, группироваться рядом друг с другом в структуре белка и чаще располагаться рядом с активным сайтом RNAPC, чем другие сайты. Чтобы увидеть, имеет ли место аналогичная динамика для других белков, Коэн и Хершберг изучили 19 других белков, содержащих адаптивные мутации, связанные с истощением ресурсов. Они обнаружили, что, как и в случае с белками RNAPC, сайты, связанные с адаптацией в лабораторных экспериментах, имеют тенденцию быть более консервативными среди бактерий.
|
|
|
|
Еще более интересно то, что при рассмотрении четырех селективных давлений, по которым имелось достаточно данных, эти закономерности сохранялись для воздействия антибиотиков, минимальной среды и длительного истощения ресурсов, но не для роста при высоких температурах. Таким образом, адаптации к высоким температурам не обладают большей консервативностью, не группируются рядом друг с другом или активным центром комплекса и не обогащаются функциональными доменами. Как отмечает Хершберг, неясно, насколько распространена эта находка. «В настоящее время мы не можем быть уверены, ведет ли себя адаптация к большинству условий так же, как большинство охарактеризованных адаптаций, с высокой температурой, являющейся исключением, или есть много условий, по которым в настоящее время нет доступных данных, которые больше напоминают то, что наблюдается при высокой температуре».
|
|
|
|
Ясно только то, что динамика лабораторной адаптации сильно отличается от динамики естественной адаптации. Это связано с тем, что, как объясняют авторы, «в лабораторных экспериментах бактерии, как правило, подвергаются относительно простому, сильному и постоянному селективному давлению. Избирательное давление, с которым сталкиваются в более естественных условиях, вероятно, гораздо сложнее, с несколькими различными факторами, оказывающими противоречивое давление. одновременно и/или с селективным давлением, которое меняется со временем. Адаптации, которые так легко возникают в ходе лабораторной эволюции, могут быть не так легко разрешены в естественных условиях… Кроме того, если такие адаптации действительно происходят в ответ на определенный набор условий, они может оказаться весьма преходящим, быстро уменьшающимся по частоте при изменении условий».
|
|
|
|
Хершберг считает, что для дальнейшего изучения этих вопросов будет «важно попытаться выяснить, что делают эти адаптации в том контексте, в котором они адаптивны, и измерить их приспособленность в различных условиях… полезное место для начала». Важно отметить, что такие исследования могут дать новое представление о механизмах, посредством которых происходит эволюция, как в лаборатории, так и в природе. По словам Хершберга, «понимание причин этих различий может позволить нам извлечь важные уроки о естественной адаптации».
|
|
|
|
Источник
|
