Эволюционные эксперименты

Начальные этапы видообразования воспроизведены в эксперименте на дрожжах

Биологи из Торонтского университета (Канада) провели на дрожжах опыты по искусственному видообразованию. Ранее в подобных экспериментах пытались (и порой успешно) получить поведенческую презиготичну изоляцию, то есть нежелание представителей линий разийшлися, скрещиваться друг с другом. На этот раз удалось получить постзиготичну изоляцию, то есть снижение жизнеспособности гибридов. Дрожжи, которые выращивались в течение 500 поколений в контрастных неблагоприятных условиях высокой солености или низкого содержания глюкозы, оказались постзиготично изолированными как друг от друга, так и от предковой линии.

В длительном эксперименте зафиксировано поэтапное формирование эволюционного новшества

В ходе долгосрочного эволюционного эксперимента на бактериях E. coli в одной из 12 подопытных популяций после 31000 поколений появилась новая полезная признак — способность питаться цитратом в аэробных условиях. Как выяснилось, формирование эволюционного новшества проходило в три этапа. На первом этапе («потенцирование») зафиксировались мутации, помогающие утилизировать цитрат, если он окажется в клетке. Повторные эксперименты с размороженными представителями предковых поколений показали, что потенцируя мутаций было как минимум две: одна появилась после 15000 поколений, другая после 20000. На втором этапе («актуализация») изменилась регуляция гена citT, ответственного за поглощение цитрата из внешней среды. В результате ген стал работать в присутствии кислорода, хотя в норме в E. coli он работает только в анаэробных условиях. Это привело к появлению слабо выраженной, «зародышевой» способности использовать в пищу цитирует. Наконец, на этапе «совершенствования» новая функция была многократно усилена благодаря нескольким дупликации (удвоения) фрагмента хромосомы, несущей активирован ген citT. Только после этого численность бактерий-мутантов увеличилась и они стали доминировать в своей популяции. Вероятно, такой поэтапное развитие характерно и для других эволюционных новшеств.

Результаты эволюционного эксперимента продолжительностью в 40000 поколений

В ходе уникального эксперимента, который длился более 20 лет, удалось подробно проследить эволюционные изменения, которые происходили в популяции кишечной палочки Escherichia coli в течение 40 000 поколений. В первой половине эксперимента в популяции фиксировались в основном полезные мутации, повышающие приспособленность бактерий. Достаточно неожиданным результатом оказалось то, что скорость накопления полезных мутаций была почти постоянной. До сих пор считалось, что с постоянной скоростью должны накапливаться нейтральные мутации, а не полезны, однако в эксперименте все оказалось наоборот. В середине эксперимента в популяции зафиксировалась мутация, резко повышала темп мутагенеза. После этого мутации стали фиксироваться на порядок быстрее, но это были в основном уже не полезны, а нейтральные мутации.

Многофункциональные гены — основа для эволюционных новшеств

Многие гены выполняют в организме сразу две или более функций. При этом возникает «адаптивный конфликт»: мутации, улучшают одну из функций, вредят другой и поэтому не могут закрепиться. Биологам из Университета Дьюка (США) удалось показать на конкретном примере, что дупликация бифункционального гена приводит к разделению труда между возникшими копиями. Каждая из копий оптимизируется для решения одной из двух задач, и выполнение обеих функций в результате становится более эффективным.

Вредители контролируют эволюцию растений

В двух независимых исследованиях получены экспериментальные подтверждения важной роли растительноядных насекомых в эволюции растений. Эволюционные эксперименты на арабидопсиса Таля (Arabidopsis thaliana) и энотеры двухлетней (Oenothera biennis) показали, что растения, которые синтезируют различные защитные вещества, получают селективное преимущество в зависимости от преобладания тех или иных вредителей. В отсутствие вредителей у испытуемых популяциях распространялись генотипы, обеспечивающие ускоренный рост и повышенную конкурентоспособность в сочетании с ослабленной защитой от вредителей. Генофонды популяций, развивались в различных условиях, начинали существенно различаться уже после 1-2 поколений. Это свидетельствует о том, что растительноядные насекомые — мощный фактор отбора, способен обеспечить быструю эволюцию и высокий уровень генетического разнообразия растений

Процесс появления новых ферментов прослежены в эволюционно эксперименте

Эксперименты на бактерии Salmonella enterica показали, что новые ферменты могут возникать по схеме «инновация — амплификация — дивергенция». Сначала в фермента в результате мутации появляется дополнительная каталитическая активность («инновация»). Если новая функция окажется полезной, отбор поддержит амплификация (появление дополнительных копий) измененного гена. В дальнейшем с большой вероятностью произойдет разделение труда между копиями («дивергенция»): одни копии оптимизируются отбором для выполнения старой функции, другие — для новой. В строгом соответствии с этой схемой с фермента, участвующего в синтезе аминокислоты гистидина, в ходе эволюционного эксперимента был получен фермент, который катализирует один из этапов синтеза триптофана.

Новые виды растений можно создавать с помощью горизонтального переноса полных ядерных геномов

Немецкие и польские биологи показали, что между клетками привоя и подвоя может происходить горизонтальный перенос не только пластидних геномов, но и ядерных. Прививая друг к другу обычный табак Nicotiana tabacum и табачное дерево Nicotiana glauca, удалось получить аллополиплоидни клетки, содержащие в одном ядре оба диплоидных хромосомных наборы родительских видов. Из этих клеток было выращено полноценные растения, сочетающие признаки обоих родителей и способны производить жизнеспособное семян. По формальным критериям эти растения заслуживают выделения в особый вид, получивший название Nicotiana tabauca.

Половой отбор защищает от вымирания

Половое размножение широко распространено в природе, хотя бесполое, казалось бы, и проще, и эффективнее. Одно из преимуществ полового размножения вероятно заключается в том, что оно вводит в действие особую форму отбора — половой отбор, помогает «обычном» естественному отбору очищать генофонд от вредных мутаций. Результаты семилетнего эволюционного эксперимента на жуках Tribolium castaneum показали, что половой отбор действительно способствует уменьшению генетического груза и предохраняет популяцию от вымирания.

Те из испытуемых популяций, в которых на каждую самку приходилось по несколько самцов (то есть была возможность выбора и мог работать половой отбор), накопили меньше рецессивных вредных мутаций, чем популяции с такой же численностью, но без избытка самцов.

Различная стратегия защиты приводит к разного эволюционного отклика

Немецкие ученые поставили эволюционный эксперимент, имитирующий гонку вооружений между хозяином и паразитом. Роль хозяина досталась нематоде Caenorhabditis elegans, а паразита — бактерии Bacillus thuringiensis. Оба исполнителя хорошо известны биологам: первый — это классический модельный объект, а второй используется как эффективное средство биоконтролю численности почвенных нематод и насекомых-вредителей. Последнее определяет практическую актуальность работы.

Эксперимент показал, что в условиях приспособления нематод к инсектицидам важно, чтобы гонка вооружений не останавливалась. Тогда бактерии избавляться от неэффективных линий, оставляя на передовой только наиболее инфекционные, несущие большое число копий генов токсинов. Если хозяин перестает защищаться, то бактерии начинают производить все больше неинфекционных штаммов. Все это важно учитывать при планировании стратегии инсектицидного защиты.

Неадаптивная фенотипическая пластичность затрудняет видообразование

В эволюционном эксперименте на дрозофилах удалось показать, что неадаптивная фенотипическая пластичность (изменения фенотипа, вызванные условиями среды и снижают приспособленность к этим условиям) может затруднять адаптацию к неблагоприятным условиям и видообразования. Оказалось, что мухи, прожили 10 поколений на обедненной среде на основе крахмала, проигрывают в конкуренции на этой среде «контрольным» мухам, которые жили на нормальном, богатой среде, и наоборот: на богатой среде крахмальные мухи демонстрируют более высокую приспособленность, чем контрольные . Однако после того, как крахмальным мухам позволили одно поколение прожить на нормальном корме, они продемонстрировали рекордную приспособленность к крахмального корма.

Пожалуй, в крахмальных мух выработались адаптации к жизни на голодном среде, но эти адаптации маскируются «эффектом голодной матери»: самки, выросшие на крахмале, откладывают яйца с меньшим количеством питательных веществ и в результате проигрывают в конкуренции на крахмальной среде сытым чужакам. Полученные результаты показывают, что неадаптивная фенотипическая пластичность и материнский эффект («эффект голодной матери») могут препятствовать экологической сегрегации (различия по нишам) и видообразования, позволяя мигрантам из благоприятных местообитаний побеждать в конкуренции на неблагоприятных субстратах в местных особей, которые уже имеют адаптации к ним.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Эволюционные эксперименты