Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Сотрудники факультета экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Ирвайне (США) заставили приспосабливаться к высокой температуре сразу 115 линий кишечной палочки (Tenaillon et al., 2012). Все подопытные популяции были выведены из одного клона, т. е. изначально имели одинаковый геном. Предки подопытных бактерий в течение 2 тыс. поколений жили в стандартной среде при оптимальной для них температуре 37 °C.
В ходе эксперимента микробам пришлось приспосабливаться к температуре 42,2 °C. Это максимум, при котором исходная популяция не погибает полностью. 115 подопытных линий жили при такой температуре в течение 2 тыс. поколений, после чего ученые взяли из каждой линии по одному микробу и отсеквенировали его геном.
Все линии неплохо приспособились к перегреву: скорость их размножения при высокой температуре к концу эксперимента была в среднем в 1,94 раза выше, чем у предкового штамма. Лучше всех приспособилась линия, в которой произошло угадайте что. Правильно, зафиксировался аллель-мутатор: вышел из строя ген mutL, участвующий в исправлении ошибок в ДНК. В этой линии закрепилось 73 мутации — гораздо больше, чем у всех остальных линий, поэтому ее пришлось исключить из сравнительного анализа.
В остальных 114 линиях произошло в среднем по 11 генетических изменений, в том числе 6,9 однонуклеотидной замены, 2,3 короткой вставки и делеции (выпадений нуклеотидов), 1,0 крупной делеции, 0,6 вставки мобильных генетических элементов и 0,2 крупной дупликации (удвоения участков ДНК).
Как мы помним, о доле полезных мутаций, поддержанных отбором, можно судить по соотношению значимых и синонимичных замен. У теплолюбивых кишечных палочек это соотношение сдвинулось в пользу значимых замен. Авторы рассчитали, что примерно 80 % значимых замен были полезными.
Но полезные приобретения оказалась весьма разнообразными у 114 линий. Каждая линия приобрела свой уникальный набор мутаций. Так, из 634 значимых однонуклеотидных замен лишь 157 (25 %) обнаружились более чем в одной линии подопытных бактерий. Большинство замен оказались уникальными, т. е. закрепились лишь у одной из 114 линий. При этом несколько замен явно пользовались повышенной «популярностью». Например, значимая мутация в кодоне 966 гена rpoB обнаружилась у 18 линий, мутация в кодоне 15 гена rho — у 17 линий. Белки, кодируемые обоими генами, играют ключевую роль в транскрипции.
Повторяемость коротких вставок и делеций, дупликаций и вставок мобильных элементов оказалась выше, чем у точечных мутаций. Наибольшая повторяемость характерна для крупных делеций: 82 из 119 таких делеций (69 %) зарегистрированы более чем в одной линии. Но это следствие организации геномов [56] .
Тот факт, что наборы мутаций у 114 линий оказались разными, говорит о множественности путей адаптации к высокой температуре. Путей много — но они похожи друг на друга. Это видно из того, что сходство между линиями по набору генов, затронутых мутациями, оказалось намного выше, чем по самим мутациям. Если взять наугад любые две из 114 линий, то одинаковых мутаций у них окажется в среднем лишь 2,6 %, а одинаковых генов, в которых закрепились мутации, — 20,2 %. Если объединить гены в функциональные блоки (например, рассматривать все гены, отвечающие за транскрипцию), то сходство линий окажется еще выше: 31,5 %.
56
Выпавшие фрагменты ДНК часто были заключены между копиями мобильных элементов. Дело в том, что вероятность делеции участка ДНК повышается, если он заключен между двумя одинаковыми последовательностями. Поэтому распределение повторяющихся последовательностей (в том числе мобильных элементов) по геному влияет на его эволюционную судьбу.
Таким образом, повторяемость (воспроизводимость) путей адаптации бактерий к перегреву оказалась низкой на уровне конкретных мутаций, но довольно высокой на уровне генов и функциональных блоков. Невозможно предсказать, какие именно мутации обеспечат адаптацию в каждом конкретном случае, однако набор генов, которые будут затронуты этими мутациями, более ограничен. Исследование показало, что одна и та же эволюционная «цель» — в данном случае приспособление к высокой температуре — может быть достигнута многими способами. На уровне конкретных мутаций эволюция оказалась малопредсказуемой. На уровне генов и генных комплексов предсказуемость и повторяемость эволюции оказались выше.
—————
Репертуар эволюционных «решений» ограничен
Когда Н. И. Вавилов обнародовал «закон гомологических рядов в наследственной изменчивости», утверждающий, что у близких видов наблюдаются сходные ряды изменчивости, то немедленно был обвинен в антидарвиновских настроениях. Действительно, если мутации случайны, то и эволюционные траектории, казалось бы, тоже должны быть случайными. Их направление должно бы зависеть только от внешних условий, к которым вид обязан как следует приспособиться. Сходные адаптивные (полезные) признаки можно объяснить сходной направленностью отбора, тогда как у нейтральных признаков — тех, что не влияют на приспособленность, — появление сходства маловероятно. Параллельные признаки, которыми оперировал Вавилов (а он работал с признаками зерновых культурных растений), нейтральны, и в этом случае сходству репертуара изменчивости вроде бы неоткуда взяться. Тем не менее гомологические ряды существуют (Н. И. Вавилов был строг с фактами), так что довольно долго о законе гомологических рядов предпочитали не рассуждать.
Но постепенно стало ясно, что фактов параллельной эволюции как на микро-, так и на макроуровне такое колоссальное изобилие, что ими нужно и должно заниматься всерьез. Генетики взялись за расшифровку путей формирования параллелизмов.
Наиболее значимые выводы о генетических механизмах параллельной эволюции основаны на анализе отдельных признаков, как адаптивных, так и нейтральных. К первым относится, например, развитие устойчивости к антибиотикам у бактерий или цветового зрения у цихлид (см. главу б). Ко вторым, нейтральным признакам можно отнести независимое появление темных пятнышек на крыльях у разных видов дрозофил — чем не гомологические ряды Н. И. Вавилова (см. главу 5)!
Вот важнейшие выводы, которые генетики сделали на основе детально изученных примеров:
• эволюция отчасти предсказуема, хотя в ее основе лежат случайные мутации;
• число возможных эволюционных траектории ограниченно, так как ограниченно число жизнеспособных комбинации мутационных изменении (из-за эпистаза, см. главу 1);
• сходные приспособления могут появляться в результате параллельного образования одинаковых мутаций в том или ином гене;
• сходные приспособления могут появляться в результате разных наборов мутаций в одном и том же комплексе генов;
• параллельные приспособления появляются чаще в результате изменений в регуляторных, а не белок-кодирующих участках генов.
Рассмотрим один из недавно «расшифрованных» случаев параллельной эволюции. Этот пример показывает, как легко появляются сходные признаки у разных видов (McGrath et al., 2011). Генетики из университетов Юты, Флориды и Рокфеллеровского университета работали с уже знакомыми нам объектами — нематодой Caenorhabditis elegans и с ее родственницей C. briggsae. В их распоряжении были разные линии C. elegans, которые хотя и произошли от одной исходной гермафродитной особи, но велись изолированно в последние 50 лет. Этот материал позволил проследить образование параллельных мутаций как у особей со сходным геномом, так и у разных видов.
Ученых интересовал конкретный признак — формирование так называемой дауэровской, или «спящей», личинки. Спящая личинка у ценорабдитис образуется при стрессовых температурах, недостатке пищи или перенаселении. В таком состоянии нематода благополучно переживает худшие времена, а при улучшении условий начинает развитие с прерванной точки, т. е. с третьей линьки. В природе перенаселение грозит популяции голодом и потому воспринимается как сигнал к формированию спящей личинки. В лабораторных условиях при перенаселении (а как же иначе может быть в культурах?) дауэровская личинка все равно формируется, хотя пища всегда в изобилии. При этом подавляющая часть популяции перестает размножаться — «в строю» остаются лишь те особи, которые почему-либо не среагировали на сигнал перенаселения. Ясно, что именно они и получат преимущество в изобильной лабораторной среде. Именно поэтому в лабораторных культурах нематоды довольно быстро перестают реагировать на сигнал перенаселения и формировать спящую личинку. Авторы изучили три лабораторные популяции, параллельно утратившие спящую стадию: две популяции C. elegans и одну C. briggsae. Естественно, ученые хотели выяснить, за счет каких мутаций в трех разных линиях появилось это адаптивное новшество.
Дауэровская личинка начинает формироваться при повышении концентрации особого феромона (чем больше животных в культуре, тем выше его концентрация). Этот феромон вызывает формирование спящей личинки у исходной лабораторной линии C. elegans, зато не действует на две эволюционировавшие линии нематоды.
Из сравнения геномных последовательностей исходной популяции и двух других выяснилось, что феромон перестал работать из-за выпадения (делеции) генов двух рецепторов. Ясно, что если исчезают рецепторы к определенному веществу, то исчезает и реакция на это вещество, в данном случае — не формируется дауэровская личинка. В двух лабораторных линиях делеция прошлась по разным нуклеотидам, но в обоих случаях захватила оба гена. Таким образом, в двух популяциях независимо вышли из строя одни и те же гены, играющие роль посредников между феромоном и формированием дауэровской личинки.
У C. briggsae нашелся ген, родственный двум найденным посредникам. И, как легко догадаться, в лабораторной популяции, отказавшейся от спящей личинки, именно этот ген оказался вырезан делецией. Сколько ни добавляли феромона (того самого, с которым работали на C. elegans), все личинки C. briggsae развивались своим чередом, не впадая в спячку. Зато на исходную (дикую) популяцию C. briggsae феромон действовал отлично.
Таким образом, в условиях, когда спящая личинка оказывается лишней или даже вредной, популяция быстро от нее избавляется. При этом отбор поддерживает мутации в сходных генах, приводящие эти гены в нерабочее состояние. Скорее всего, существует не так уж много мутаций, которые способны предотвратить формирование спящей стадии и одновременно не слишком вредны для животного. Для данного признака доступное решение, по-видимому, оказалось единственным.
Спящая личинка Caenorhabditis elegans (белая стрелка) в много клеточном плодовом теле почвенной амебы Dictyostelium.
Конечно, безопаснее изменить один рецептор, чем подстраивать друг под друга целую сеть регуляторов развития. Сенсорные рецепторы — световые, вкусовые, обонятельные — эволюционируют очень быстро, оперативно подлаживая организм к окружающей обстановке. Этот простой и быстрый путь не приводит немедленно к глубоким изменениям развития. Но он может открыть перед организмами новые эволюционные возможности. Например, изменения генов, кодирующих светочувствительные белки опсины, могут изменить цветовое восприятие, что в свою очередь скажется на эволюции внешнего вида животных под действием полового отбора (подробнее об этом мы поговорим в главе 5).
—————
Как происходит гонка вооружений
Эволюционная «гонка вооружений» — один из самых мощных двигателей эволюции. Если бы среда обитания оставалась строго постоянной, отбор, скорее всего, привел бы строение и физиологию организма к локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или прекратиться. Но среда не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важнейшие параметры среды зависят от других живых существ. Изменения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, заставляя приспосабливаться первых, и так 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, важно обогнать не гепарда, а хотя бы одну другую газель) или, например, между самцами и самками.
Эти соображения легли в основу «гипотезы Черной Королевы», о которой мы рассказали в главе 3. Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).
Гипотеза подтверждается многочисленными косвенными фактами, но есть и прямые эксперименты. В одном из таких британские зоологи рассмотрели сопряженную антагонистическую эволюцию паразитов и их хозяев и показали, как гонка вооружений повышает генетическое разнообразие и ускоряет эволюционные изменения (Paterson et al., 2010). В качестве модельной системы «паразит — хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг 2. В этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al., 2007). С этой системой удобно работать, потому что вирусы и зараженные ими бактерии можно в любой момент разделить: бактерии можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.
Итак, гонка начинается. Ее участники — 12 популяций одинаковых бактерий (потомков одной клетки) и исходно одинаковые вирусы. Каждая популяция содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (Э) и «коэволюция» (К).
В популяциях группы Э было позволено эволюционировать только вирусам, а бактерии при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) заменяли исходными, «наивными» микробами. В группе К позволялось эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Эксперимент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы геномы вирусов в каждой из 12 популяций. Их затем сравнивали с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).