Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель


С. Амстиславский, Д. Рагаева и др.
Эмбрионы и артериальная гипертензия


И. Акулич
Тайна чёрной пятницы


Д. Вибе
Охота за планетой X


С. Ястребов
Происхождение проказы







Главная / Новости науки версия для печати

Современные паразиты опаснее прошлых и будущих


Рачок Daphnia magna — обычный обитатель пресных водоемов (фото с сайта www.atelier-biologie-llg.org)
Рачок Daphnia magna — обычный обитатель пресных водоемов (фото с сайта www.atelier-biologie-llg.org)

В системе «паразит—хозяин» теоретически должна происходить эволюционная «гонка вооружений», в ходе которой хозяин постоянно меняет средства защиты, а паразит — средства нападения. Биологи из Бельгии, Швейцарии и Франции проверили эту идею на рачках-дафниях и бактериях Pasteuria, которые на протяжении 30 лет коэволюционировали в небольшом пруду. Летопись генетических изменений обеих популяций сохранилась в донных отложениях водоема в виде покоящихся, но вполне жизнеспособных яиц рачков и спор бактерий. В полном соответствии с теорией, самыми опасными для дафний оказались современные им паразиты, тогда как «прошлые» и «будущие» популяции бактерий заражали рачков с меньшей эффективностью.

Изучать эволюцию в режиме «реального времени», да к тому же не в лаборатории, а в природе — дело очень трудное. Ведь для этого нужно наблюдать за природными популяциями в течение сотен поколений. Попробуйте-ка получить грант на исследование, если первые результаты ожидаются лишь спустя десятилетия!

Главной задачей исследователя в этой ситуации становится поиск подходящего природного объекта, позволяющего радикально ускорить получение результата. Для изучения микроэволюционных процессов в системе «паразит—хозяин» замечательным объектом являются пресноводные рачки дафнии и их паразиты — бактерии Pasteuria ramosa. Главное достоинство этой модельной системы состоит в том, что оба ее участника имеют покоящиеся стадии (пропагулы), которые сохраняются в донных отложениях и остаются жизнеспособными в течение многих десятилетий. Извлекая яйца рачков и споры бактерий из последовательных слоев донных осадков, можно восстановить генетическую историю популяций.

Биологи из Бельгии, Швейцарии и Франции опубликовали в последнем номере журнала Nature результаты сравнительного изучения дафний и их паразитов из последовательных слоев донных отложений, образовавшихся в маленьком бельгийском пруду за 30 лет. Толща осадка была условно поделена на 8 слоев толщиной по 2 см. Каждый такой слой образовывался в течение 2–4 лет, что примерно соответствует 10–20 поколениям дафний.

Из каждого слоя были выделены и «оживлены» яйца дафний и споры бактерий. Затем оценивалась инфекционность (заразность) бактерий по отношению к дафниям из разных слоев. Воскрешенные популяции дафний из каждого слоя делили на три группы и пытались заразить бактериями из того же, предыдущего и последующего слоя. Таким образом, оценивались взаимоотношения рачков с «современными», «прошлыми» и «будущими» паразитами.

Оказалось, что наибольшая инфекционность (65% зараженных рачков) характерна для «современных» паразитов, значительно меньшая — для «будущих» (57%) и «прошлых» (55%). Именно такой результат и следовало ожидать на основе имеющихся теоретических представлений об эволюционной «гонке вооружений». Попробуем разобраться, почему.

Ранее было установлено, что устойчивость дафний к тем или иным штаммам бактерии Pasteuria ramosa предопределена генетически. У дафний имеется некий не очень большой набор генов, определяющих устойчивость к паразиту, причем каждый ген существует в виде нескольких вариантов (аллелей). Точно число этих генов и аллелей неизвестно, однако установлено, что в зависимости от конкретной комбинации аллелей рачок оказывается более или менее устойчивым к данному штамму бактерии. Популяция бактерий, со своей стороны, тоже генетически разнородна, причем разные линии (штаммы) паразита характеризуются разной инфекционностью по отношению к разным генетическим вариантам хозяина.

Возьмем простейший случай: допустим, что существует всего два генетических варианта дафний (А и Б) и всего две разновидности бактерий (А1 и Б1). Предположим, что бактерия А1 эффективно заражает дафний А, но не может заразить дафний Б, а бактерии Б1, напротив, успешно расправляются только с дафниями Б.

Допустим, исходно в пруду преобладали дафнии А. Но вот в пруд попадают бактерии-паразиты А1 и Б1. Первый из этих штаммов начинает быстро размножаться, поскольку для него имеется много «пищи» — дафний А. Складывается популяция бактерий с преобладанием варианта А1. Именно такая популяция бактерий наиболее опасна для тех дафний, которые сейчас живут в пруду, поскольку среди них преобладает вариант А, уязвимый для доминирующей разновидности паразита.

Известно, что бактерии Pasteuria снижают плодовитость зараженных дафний. Таким образом, под действием бактериальной инфекции в популяции дафний начинается естественный отбор: дафнии Б будут оставлять больше потомства, чем дафнии А. В результате через несколько поколений форма Б становится преобладающей среди дафний. Тем самым популяция дафний, по сути дела, приспособилась к инфекции. Для большинства дафний теперь не опасен наиболее массовый штамм бактерии (А1).

Но радоваться дафниям недолго. Произошедшие изменения в структуре популяции хозяев немедленно меняют вектор отбора, действующий на бактерий: теперь преимущество получают бактерии Б1, а доля бактерий А1 начинает снижаться. У бактерий смена поколений происходит гораздо быстрее, чем у дафний, и поэтому за очень небольшой отрезок времени популяция бактерий приобретает структуру, наиболее опасную для нынешней популяции дафний: теперь среди бактерий преобладает форма Б1, и дафниям приходится снова «приспосабливаться», то есть возвращаться в исходное состояние (когда преобладала форма А).

Таким образом, в системе будут происходить периодические колебания частот аллелей — бесконечное микроэволюционное состязание, напоминающее не столько гонку вооружений, сколько бег на месте. Несмотря на постоянно идущие быстрые изменения частот аллелей, суммарный итог этой борьбы скорее всего сведется к тому, что в каждый момент времени степень зараженности дафний и средняя инфекционность бактерий будут оставаться примерно одинаковыми, так что при поверхностном наблюдении может показаться, что система пребывает в состоянии полного покоя.

Следует помнить, что мы рассмотрели предельно упрощенный случай. В действительности генетических вариантов и у дафний, и у бактерий существует намного больше; могут появляться и новые варианты в результате мутаций, а у дафний существует еще и такая полезная вещь, как половое размножение, позволяющее резко увеличить генетическое разнообразие потомства. Дафнии, как известно, чередуют половое размножение с бесполым (партеногенетическим). В периоды партеногенетического размножения каждая самка производит потомство, генетически идентичное ей самой. В такие периоды паразитам намного легче «угнаться» за эволюционными изменениями хозяев. Ведь во время партеногенетического размножения эти изменения сводятся всего лишь к колебаниям частот уже имеющихся генетических комбинаций и редким мутациям. Переход к половому размножению означает внезапную перетасовку генетического материала хозяев. При этом возникает множество новых комбинаций аллелей, к которым паразиты еще не имели возможности приспособиться. Кстати, некоторые ученые предполагают, что само появление полового размножения на заре эволюции эукариот могло быть простимулировано именно такими «эволюционными гонками» в системах «паразит—хозяин».

Однако методика, использованная авторами обсуждаемой статьи, не позволяет проследить эволюционное соревнование во всех деталях, поскольку каждый исследованный слой осадка содержит «обобщенную» информацию за период длительностью в 2–4 года. За это время дафнии успевают несколько раз перейти от бесполого размножения к половому и обратно. По той же причине не удалось зафиксировать и фазовый сдвиг, который непременно должен присутствовать в циклической эволюционной динамике паразитов и хозяев. Бактерии, конечно, приспосабливаются к изменению частот аллелей у дафний очень быстро, но всё же не мгновенно. Поэтому, если бы была возможность проследить процесс поколение за поколением, то скорее всего можно было бы увидеть, что настройка параметров инфекционности у бактерий чуть-чуть отстает от настройки параметров защиты у дафний.

Иными словами, самыми опасными для дафний по идее должны являться не современные им популяции паразитов, а те, которые возникнут в недалеком будущем. Но, поскольку в данном исследовании фактически усреднялись данные за 10–20 поколений дафний, этот сдвиг зарегистрировать не удалось, и получилось, что самыми инфекционными являются «современные» популяции паразитов.

Возможность эволюционных «гонок на месте» впервые предположил в 1970-е годы американский палеонтолог Ли Ван Вален (Leigh M. Van Valen). Он назвал свою модель «гипотезой Черной Королевы» (The Red Queen Hypothesis). Имеется в виду персонаж из «Алисы в Зазеркалье» — Черная Королева, которая бежала со всех ног только для того, чтобы остаться на месте. (Для знатоков английского нужно пояснить, что в сказке Льюиса Кэрролла речь идет о шахматных фигурах, которые у нас — белые и черные, а у них — белые и красные, почему и приходится «Red Queen» переводить как «Черная Королева».)

Ван Вален хотел объяснить, почему вероятность вымирания видов не снижается с возрастом. Казалось бы, в результате естественного отбора «приспособленность» вида должна всё время повышаться, и поэтому старые виды должны быть более «приспособленными», чем молодые. Но это не подтверждается палеонтологическими данными. Ван Вален предположил, что почти все силы у эволюционирующего вида расходуются на то, чтобы угнаться за постоянно меняющейся внешней средой (в том числе за эволюцией других видов, с которыми данный вид взаимодействует). Вид всё время приспосабливается к среде, но из-за переменчивости условий его итоговая приспособленность в лучшем случае остается постоянной — вот и получается «бег на месте».

Гипотеза Ван Валена приобрела широкую популярность среди биологов самых разных специальностей, однако прямых экспериментальных подтверждений у нее пока немного. Поэтому данное исследование вносит весомый вклад в теоретическую биологию.

Источник: Ellen Decaestecker et al. Host–parasite 'Red Queen' dynamics archived in pond sediment // Nature. 2007. V. 450. P. 870–873.

См. также о пропагулах:
Хитрые покровы спасают эмбрионы от яда (синопсис к статье А. В. Макрушина, И. В. Лянгузовой «Оболочка пропагул беспозвоночных и растений: избирательная проницаемость и барьерные свойства» // Журн. общей биологии. Том 67. 2006. № 2. Стр. 120–126).

О дафниях:
1) Устойчивое существование популяции обеспечивается негенетической «памятью поколений», «Элементы», 03.07.2007.
2) Размножаться лучше на сытый желудок, «Элементы», 30.03.2006.

Александр Марков


Комментарии (1)



Последние новости: ГенетикаЭволюцияАлександр Марков

2.08
Гибридизация однодомных и двудомных растений увеличивает разнообразие половых фенотипов
23.07
Млекопитающие с относительно крупным мозгом более уязвимы
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
7.07
В бирманском янтаре мелового периода найден вымерший убийца пауков
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия