Категории
 
Ссылки
 

Эволюция «in vitro»

Эволюция «in vitro»

Одним из «недостатков» эволюционной теории происхождения видов Ч.Дарвина можно считать ее ненаглядность. Видоизменение одного из признаков организма в зависимости от условий среды можно наблюдать в течении всего нескольких поколений. Классический пример - это изменение клюва вьюрка, который и сподвиг Ч.Дарвина на создание своей теории и который сейчас можно встретить в каждом школьном учебнике биологии. Для быстроразмножающихся организмов несколько поколений сменятся всего за пару-тройку лет, и отметить изменение признака проблем не составляет.


Приобретение же нового признака занимает десятки тысяч поколений. Даже для самых короткоживущих видов высших организмов это составит тысячи лет. Соответственно, поставить эксперимент над ними просто-напросто невозможно. Единственный способ – это опыты над простейшими. И даже для них время исследований составляет десятки лет.


И все же такой опыт был осуществлен. Начался он в уже далеком 1988 году и только в конце лета 2012 года были опубликованы его окончательные результаты.


В качестве подопытных ученые из Мичиганского университета выбрали такой всесторонне изученный простейший организм как кишечная палочка. Исследователей интересовал такой эколого-эволюционный этап, как появление новых признаков у организмов, помещенных в неблагоприятную среду. В качестве негативного фактора был выбран недостаток питательных веществ.

Культуру бактерий Escherichia coli разделили на 12 частей, каждая из которых существовала независимо от других. Питательных веществ давали только на несколько часов существования, все остальное время микроорганизмы жили впроголодь. Своего рода диета. Ученых интересовало, смогут ли бактерии «переключиться» на несвойственный им источник энергии. Каждые несколько тысяч поколений делался своего рода «слепок» ДНК: отбирались образцы, которые содержались в нормальных, благоприятных условиях. Это было необходимо для возможности «отката изменений». Т.е. если одна из колоний в результате неблагоприятных мутаций вырождалась и погибала, эксперимент продолжался с предыдущей или более ранней «копии». Бэкап ДНК такой.

С одной стороны, эксперимент очень прост, однако именно возможность отмены плохих мутаций повлекла за собой чрезвычайную трудоемкость проекта: в частности, он потребовал использования десятков тысяч пробирок с образцами и сотни биореакторов.

В 2008 году, т.е. спустя двадцать лет, одна из бактериальных колоний продемонстрировала взрывообразный рост. По результатам анализа исследователи выяснили: бактерии кишечной палочки приобрели способность утилизировать лимонную кислоту, которая служила в питательной среде всего лишь источником кислотности и в обычных условиях микроорганизмами игнорировалась.


Наличие образцов со всех этапов эксперимента позволило выявить три основные фазы приобретения нового признака:


Подготовительный: появляются мутации, которые только готовят механизмы усвоения лимонной кислоты. У кишечной палочки изначально уже есть ген, который в случае активации позволяет микроорганизму усваивать непривычный продукт. Но он находится в спящем, латентном состоянии. И на этом этапе ген удваивается, и уже его копия перестает зависеть от присущих изначально регуляторных механизмов (наличия кислорода в данном случае). В обычных условиях этой мутации препятствуют молекулярные механизмы, следящие за целостностью ДНК. Поэтому второй необходимой мутацией нужна такая, которая ослабляет бдительность этих контролеров. Должна быть подготовлена почва для последующего изменения структуры наследственности. Каждая из этих мутаций эволюционного преимущества не несет, но в совокупности они дают возможность (при дальнейшем развитии) приобрести организму новый признак.


На втором этапе, исследователи назвали его актуализацией, бактерия уже может усваивать кислоту, но делает это еще плохо. Для получения заметного преимущества бактерия создает еще несколько копий этого гена, ведь механизма, препятствующего этому уже нет. По данным ученых, уже три копии этого гена дают бактерии существенное экологическое преимущество.


И на заключительном, третьем этапе происходит настройка нового признака для увеличения его эффективности. Весь молекулярный и цитоплазматический механизм клетки подстраивается под новообретенные возможности.


Стоит отметить, что в данном эксперименте впервые показана необходимость комплексного изменения генома даже для простейших микроорганизмов: при искусственном внесении нужного гена в геном на более ранних стадий эволюции заметного увеличения потребления лимонной кислоты не происходило, бактерии усваивали кислоту по-прежнему «неохотно». Типичного для эволюции «взрыва» не происходило.


Помимо общенаучной ценности, а это первое экспериментальное доказательство эволюционной теории, исследование имеет и немалую практическую ценность. Открываются методики расчета времени, в течении которого патогенные микроорганизмы приобретут устойчивость к антибиотикам.