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


Б. Штерн
Ближайшие пригодные для жизни экзопланеты: где они, как их можно наблюдать и как их достичь


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







Главная / Новости науки версия для печати

Гонка вооружений — двигатель эволюции


Схема строения бактериофага (слева) и электронная микрофотография фага Т4. Изображения с сайтов www.thenakedscientists.com и www.scienceclarified.com
Схема строения бактериофага (слева) и электронная микрофотография фага Т4. Изображения с сайтов www.thenakedscientists.com и www.scienceclarified.com

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.

Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом (ref) и популяциями из групп C и E. Видно, что популяции C сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции E. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом (ref) и популяциями из групп C и E. Видно, что популяции C сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции E. Параллельное независимое закрепление ряда мутаций в разных популяциях привело к тому, что на этой схеме 12 ветвей, соответствующих 12 экспериментальным популяциям, не расходятся в виде звездочки от своего общего предка (ref), что в точности отражало бы их эволюционную историю, а образуют древовидную фигуру. Это, между прочим, лишний раз подчеркивает низкую достоверность эволюционных реконструкций, основанных на небольшом числе адаптивных признаков. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

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: Paterson S. et al. Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution // Nature. 2010. Advance online publication 24 February 2010.

См. также об эволюционной гонке вооружений:
1) Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007.
2) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
3) Муравьи стараются не пахнуть как гусеницы, пахнущие как муравьи, «Элементы», 10.01.2008.
4) Неядовитые змеи вырабатывают устойчивость к смертоносному яду тритонов, «Элементы», 21.03.2008.

Александр Марков


Комментарии (3)



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