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

 
С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


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


Р. Фишман
Истории мутантов: гомеозисные гены


С. Мац
Искривленное зеркало


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







Главная / Новости науки версия для печати

Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать


Амёбы Dictyostelium при недостатке пищи собираются в многоклеточные агрегаты (слева), из которых затем образуются плодовые тела на длинной ножке (справа). Фото с сайта www.iaa.es
Амёбы Dictyostelium при недостатке пищи собираются в многоклеточные агрегаты (слева), из которых затем образуются плодовые тела на длинной ножке (справа). Фото с сайта www.iaa.es

Любой социальной системе, основанной на кооперации и альтруизме, приходится защищаться от нахлебников и обманщиков, пользующихся чужой добротой, но ничего не дающих взамен. Эксперименты, проведенные американскими биологами с амёбами Dictyostelium, у которых социальный паразитизм широко распространен, показали, что способность защищаться от нахлебников может развиться очень быстро в результате случайных мутаций и отбора, осуществляемого самими же нахлебниками.

Амёбы Dictyostelium в последние годы стали излюбленным объектом биологов, изучающих эволюцию кооперации и социального поведения. Эти амёбы при недостатке пищи собираются в большие многоклеточные агрегаты (псевдоплазмодии), из которых затем образуются плодовые тела. Те амёбы, чьи клетки идут на построение ножки плодового тела, фактически жертвуют собой ради товарищей, которые получают шанс превратиться в споры и продолжить род. Очень похожее социальное поведение наблюдается у ряда других микробов, в том числе у бактерий миксококков (см.: Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006) и бацилл (см.: Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть, «Элементы», 27.02.2006), а также у ряда одноклеточных эукариот, объединяемых вместе с диктиостелиумом в группу миксомицетов.

Создается впечатление, что эволюция неоднократно «пыталась» создать из социальных бактерий или простейших, умеющих собираться в плотные скопления, многоклеточный организм — но дело почему-то не пошло дальше плазмодиев и довольно просто устроенных многоклеточных плодовых тел. Все по-настоящему сложные многоклеточные организмы формируются иным путем — не из множества индивидуальных клеток со своими особенными геномами, а из потомков одной-единственной клетки (что гарантирует генетическую идентичность всех клеток организма).

Жизненный цикл и социальный паразитизм у Dictyostelium. Синим и желтым цветами обозначены два штамма (разновидности) амёб — «обманщики» и «честные». а — при избытке пищи амёбы живут поодиночке, растут и размножаются бесполым путем (делением); половое размножение у них тоже иногда происходит, но в лабораторных условиях это — большая редкость, и на схеме оно не показано. b–c — при недостатке пищи амёбы собираются в большие скопления. d — в результате образуются многоклеточные агрегаты длиной в несколько миллиметров, которые могут некоторое время ползать на манер слизней; их так и называют — «slugs». e–g — в конце концов многоклеточный агрегат превращается в «плодовое тело» на ножке; при этом около 20% клеток жертвуют собой, образуя ножку, а 80% превращаются в споры и получают шанс продолжить свой род. Видно, что синие клетки («обманщики») захватили почти все лучшие места в плодовом теле и превратились в споры, предоставив всю неблагодарную работу по созданию ножки желтым клеткам («честным»). Рис. из статьи: Richard H. Kessin. Cooperation can be dangerous // Nature. 2000. V. 408. P. 917–919
Жизненный цикл и социальный паразитизм у Dictyostelium. Синим и желтым цветами обозначены два штамма (разновидности) амёб — «обманщики» и «честные». а — при избытке пищи амёбы живут поодиночке, растут и размножаются бесполым путем (делением); половое размножение у них тоже иногда происходит, но в лабораторных условиях это — большая редкость, и на схеме оно не показано. b–c — при недостатке пищи амёбы собираются в большие скопления. d — в результате образуются многоклеточные агрегаты длиной в несколько миллиметров, которые могут некоторое время ползать на манер слизней; их так и называют — «slugs». e–g — в конце концов многоклеточный агрегат превращается в «плодовое тело» на ножке; при этом около 20% клеток жертвуют собой, образуя ножку, а 80% превращаются в споры и получают шанс продолжить свой род. Видно, что синие клетки («обманщики») захватили почти все лучшие места в плодовом теле и превратились в споры, предоставив всю неблагодарную работу по созданию ножки желтым клеткам («честным»). Рис. из статьи: Richard H. Kessin. Cooperation can be dangerous // Nature. 2000. V. 408. P. 917–919

Одна из самых очевидных причин «эволюционной бесперспективности» многоклеточных организмов, образующихся из скоплений одноклеточных индивидуумов, состоит в том, что такие организмы создают идеальные условия для развития социального паразитизма и нахлебничества. Любая мутация, позволяющая одноклеточному индивиду пользоваться благами жизни в многоклеточном «коллективе» и ничего не давать взамен, имеет шанс распространиться, невзирая на ее гибельность для популяции (см.: Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007). Точно такая же проблема встает и перед социальными животными, включая человека (см.: Обман запоминается лучше, чем честные поступки, «Элементы», 02.07.2009).

Для того чтобы выжить, социальным организмам вроде диктиостелиума необходимо каким-то образом защищаться от нахлебников. Теоретически они могут это делать несколькими способами (см. ссылки внизу). Ранее в одном из экспериментов на миксобактериях было зарегистрировано появление мутации, обеспечивающей защиту от нахлебничества (см.: Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006). Однако до сих пор никто не пытался экспериментально установить вероятность (или частоту) появления подобных мутаций, то есть понять, является ли возникновение устойчивости к тем или иным разновидностям нахлебников обычным делом или редким исключением.

Эксперименты, проведенные биологами из нескольких научных центров Хьюстона (США) на диктиостелиуме, показали, что вероятность развития устойчивости в результате случайных мутаций у этого организма довольно высока. Ученые работали с двумя штаммами диктиостелиума  — «честными» амёбами дикого типа (условное обозначение штамма — AX4) и одним из нескольких известных штаммов амёб-«обманщиков» (chtC). Если смешать амёб из этих штаммов в равной пропорции и начать морить их голодом, они образуют химерные (смешанные) плодовые тела. При этом «обманщики» занимают лучшие места в плодовом теле и превращаются в споры, предоставляя «честным» амёбам в одиночку строить ножку плодового тела. В результате среди образовавшихся спор резко преобладают споры обманщиков.

Авторы искусственно повысили темп мутирования у «честных» амёб AX4 при помощи генетических конструкций (плазмид), встраивающихся в различные участки генома диктиостелиума (см. Restriction Enzyme-Mediated Integration (REMI) Mutagenesis). В состав плазмиды входил ген устойчивости к антибиотику бластицидину S. Встраиваясь в разные места генома, плазмида влияла на работу близлежащих генов. Затем из множества получившихся амёб-мутантов взяли тысячу особей с разными мутациями и каждой из них дали возможность размножиться.

После этого начался отбор на устойчивость к нахлебникам, причем в качестве отбирающего агента использовались сами нахлебники. Амёб из тысячи мутантных штаммов смешивали в равной пропорции и объединяли с амёбами-обманщиками, причем последних было в четыре раза больше, чем честных амёб-мутантов. Смешанную популяцию морили голодом, заставляя образовывать плодовые тела. Затем собирали образовавшиеся споры и выводили из них амёб. Естественно, среди них преобладали обманщики chtC, но экспериментаторы убивали их всех бластицидином S (как мы помним, все амёбы-мутанты имели ген, защищающий их от этого антибиотика). В результате получалась смесь амёб-мутантов, но из тысячи исходных штаммов в ней теперь преобладали те, кто смог лучше других противостоять обманщикам. Этих амёб снова смешивали с обманщиками в пропорции 1 : 4 и снова заставляли образовывать плодовые тела.

После шести таких циклов в популяции амёб-мутантов остались представители только одного из тысячи исходных штаммов. Авторы исследовали геном этих амёб и выяснили, что плазмида у них встроилась в ген DDB_G0271758, кодирующий белок с неизвестной функцией.

Выживший мутантный штамм назвали rccA (resister of cheater chtC A). Авторы убедились, что амёбы rccA действительно защищены от нахлебничества со стороны обманщиков-chtC. Если смешать тех и других в равной пропорции, то споры в химерных плодовых телах образуются тоже в равной пропорции — следовательно, жульнические приемы амёб chtC, в чём бы они ни заключались, бессильны против амёб rccA. Однако другой штамм амёб-обманщиков, LAS1, успешно паразитировал на амёбах rccA. Следовательно, мутация в гене DDB_G0271758 защитила амёб не от любых обманщиков, а только от вполне определенных.

Авторы также проверили, не стал ли устойчивый штамм rccA сам «обманщиком» по отношению к исходному штамму AX4. Теоретически, один из способов одолеть обманщика в эволюционной «гонке вооружений» — это самому стать еще более искусным обманщиком. Подобное соревнование между обманщиками в итоге может привести всю систему, основанную на кооперации, к полному краху. Однако в данном случае этого не произошло: штамм rccA остался вполне «честным» по отношению к AX4.

Более того, эксперименты со смешанными культурами, состоящими из равного количества амёб AX4 («диких»), chtC («обманщиков») и rccA («защищенных»), показали, что амёбы rccA защищают от обмана не только себя, но и диких амёб AX4 (хотя и в несколько меньшей степени). Присутствие амёб rccA каким-то образом мешает обманщикам chtC вытеснять амёб AX4 из выгодных позиций в плодовых телах. Ясно, что взаимопомощь честных штаммов открывает дополнительные возможности для борьбы с обманщиками.

Эксперимент по выведению амёб, защищенных от нахлебничества, был повторен еще шесть раз с другими выборками амёб-мутантов. Во всех случаях после шести циклов отбора из исходной тысячи мутантных штаммов оставался либо один, либо два устойчивых к нахлебничеству со стороны chtC. В трех случаях устойчивость развилась не за счет исходной вставки плазмиды, а за счет каких-то других мутаций, возникших спонтанно уже в ходе эксперимента. Чтобы это установить, ученые определяли, куда вставилась плазмида у данного устойчивого штамма, а затем встраивали плазмиду в ту же самую точку генома амёбам из исходной линии AX4. Если после такой операции амёбы не приобретали способность сопротивляться нахлебникам, значит эта способность возникла в результате других мутаций. Каких именно — авторы не выяснили (это очень сложно технически).

Три из семи исследованных устойчивых штаммов сами стали обманщиками по отношению к chtC, а один научился обманывать также и исходный «дикий» штамм AX4. Прочие остались честными.

Исследование показало, что вероятность появления мутаций, обеспечивающих защиту от нахлебников, у диктиостелиума весьма высока. Присутствие нахлебников способствует распространению защитных мутаций. Это должно приводить к эволюционной «гонке вооружений» между обманщиками и честными амёбами: первые совершенствуют средства обмана, вторые — средства защиты. Для того чтобы защититься от обманщиков, амёбы не обязаны сами становиться обманщиками. Это способствует сохранению кооперации. Молекулярные механизмы обмана и защиты от него пока остаются неизвестными, но скорее всего они связаны с системами межклеточной коммуникации и взаимного узнавания.

Источник: Anupama Khare, Lorenzo A. Santorelli, Joan E. Strassmann, David C. Queller, Adam Kuspa, Gad Shaulsky. Cheater-resistance is not futile // Nature. Advance online publication 30 September 2009.

О механизмах борьбы с обманщиками см. также:
1) Честные дрожжи и дрожжи-обманщики могут жить дружно, «Элементы», 20.04.2009.
2) Альтруисты процветают благодаря статистическому парадоксу, «Элементы», 16.01.2009.
3) Альтруизм общественных насекомых поддерживается полицейскими методами, «Элементы», 08.11.2006.
4) Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007.
5) Обман запоминается лучше, чем честные поступки, «Элементы», 02.07.2009.
6) Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006.

Александр Марков


Комментарии (12)



Последние новости: ГенетикаПсихологияАлександр Марков

2.08
Гибридизация однодомных и двудомных растений увеличивает разнообразие половых фенотипов
11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
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
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение

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