Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов - Джонатан Б. Лосос

Очень ценным примером подобной работы является эксперимент, осуществленный в лаборатории Кишони в Гарвардской медицинской школе, в том же самом месте, где проводилось исследование Burkholderia dolosa. В этом эксперименте нашего старого знакомого[117] E.coli поместили в специально сконструированные камеры для выращивания и подвергли воздействию одного из трех антибиотиков – хлорамфеникола, доксициклина и триметоприма, и эволюционная реакция длилась на протяжении двадцати дней (около трехсот пятидесяти генераций E.coli). Каждое воздействие повторялось по пять раз.

Целью исследования было проследить эволюцию резистентности к антибиотикам. Изначально бактерии, которые все получены от одного предка, не были резистентными и очень плохо росли в присутствии антибиотиков. Но очень скоро у них стала развиваться резистентность, и скорость роста увеличилась.

Популяции микробов продемонстрировали очень похожие модели адаптации к препаратам. Пять реплицированных популяций стабильно увеличивали свою резистентность ко всем трем антибиотикам – почти 1600-кратное увеличение роста в популяциях, подвергаемых воздействию хлорамфеникола. В конце эксперимента ученые секвенировали геномы клеток каждой из пятнадцати популяций и сравнили их с геномом предковой популяции.

Как и в случае с большинством предыдущих экспериментальных исследований микробной адаптации, инициированной идентичными штаммами, пять популяций, подвергшихся воздействию триметоприма, эволюционировали очень похоже. Принцип действия триметоприма – в обезвреживании фермента дигидрофолатредуктазы (DHFR) в E.coli. Таким образом, неудивительно, что контрстратегия E.coli заключается в том, чтобы видоизменить DHFR так, чтобы препарату было сложно распознать ген и усилить выработку в нем фермента. Почти все изменения, происходившие в пяти популяциях, наблюдались в DHFR.

Всего в этом гене было обнаружено семь различных мутаций: одна из них происходила во всех пяти популяциях, другая – в четырех, и все, за исключением одной, случились, как минимум, в двух популяциях. Если не считать мутаций в гене DHFR, случились лишь три дополнительные, каждая в разном гене и только в одной популяции.

Учитывая высокий уровень повторяемой эволюции определенных мутаций, исследователи секвенировали образцы DHFR из каждой популяции в каждый день эксперимента и обнаружили устойчивый порядок возникновения мутаций. Причем мутации одинаковые или похожего действия неизбежно предшествовали другим. Иными словами, эволюция резистентности триметоприма в E.coli крайне повторяема. Что касается популяций, подвергнутых воздействию двух других антибиотиков, то здесь результаты были совершенно другими. Даже несмотря на то что степень резистентности, возникшей среди пяти репликатов к каждому препарату, к концу эксперимента была схожей, изучение генетических изменений выявило преимущественно разные мутации, возникшие в каждой популяции.

Почему E.coli эволюционирует повторно похожим образом: реагирует на один препарат, но ведет себя непредсказуемо в отношении двух других, неясно. Тем не менее результаты указывают на то, что разработать общие решения проблемы резистентности к антибиотикам будет легче для триметоприма, чем для двух других препаратов.

РАНЕЕ Я УПОМИНАЛ о том, что некоторым ученым не нравится покидать стерильные стены лаборатории, когда дело касается проведения эксперимента. Полевые исследования – это слишком много шума и неконтролируемых, сбивающих с толку переменчивых факторов. Данная тревога особенно обоснована в отношении конвергентной эволюции: если среды неодинаковы, тогда отсутствие конвергенции может быть просто результатом разного давления отбора. В ходе недавно проведенного исследования на речной колюшке было обнаружено именно это. Поначалу ученые из Техасского университета были озадачены отсутствием конвергенции среди популяций, которые независимо друг от друга колонизировали разные протоки.

Но когда они изучили их лучше, причина стала ясна: разница в качестве воды и растительности в реках могла определять фенотипические различия и отсутствие конвергенции[118] среди популяций рыб. Конечно, похожее объяснение – небольшая разница в среде обитания – могло оправдывать отсутствие конвергенции в штаммах M.tuberculosis P.aeruginosa, населяющих организмы разных людей, или, кстати, любой случай неконвергенции. Некоторые ученые с недоверием относятся[119] к отсутствию конвергентных реакций в контролируемых лабораторных исследованиях. Возможно, даже самого легкого отличия одной пробирки от другой – доли градуса температуры или чуть большего количества солнечного света, поступающего из ближайшего окна, – может быть достаточно для того, чтобы привести к разному давлению отбора и, следовательно, к неконвергентной адаптации.

Но эти лабораторные скептики высказывают более глубокую критику подхода к изучению эволюционной предсказуемости с помощью конвергентной эволюции, поднимая тем самым важный вопрос, который я до этого момента обходил. До настоящего времени я употреблял термины «повторяемость» и «предсказуемость» по большей части взаимозаменяемо. Но действительно ли это одно и то же? И если быть точнее, правильно ли изучать эволюционную предсказуемость на том лишь основании, что конвергентная эволюция это явление повторяемой эволюции?

Кто-то считает, что нет. Так, к примеру, пара европейских ученых написали, что повторяемость – это «слабая форма[120] предсказуемости, так как в детерминистской природе данного процесса можно убедиться только по прошествии времени».

Другими словами, верный прогноз происходит априори, он основывается на детальном понимании изучаемой системы, а не просто на наблюдении за тем, что происходит повторно, и предсказании, что это случится снова.

Этих ученых не удовлетворило бы наблюдение за тем, как у слонов, чья среда обитания ограничена островом, повторно эволюционирует маленький размер туловища. Они бы предпочли иметь возможность предсказывать эволюционное уменьшение размеров на основе понимания того, как островная среда влияет на эволюцию размера тела.

Даже в лабораторных эволюционных экспериментах одних лишь собранных данных о том, что размер клетки всегда увеличивается или что один и тот же ген включает мутации, когда популяции сталкиваются с одинаковыми условиями, недостаточно. Они хотят иметь возможность формулировать ожидаемый итог еще до начала эксперимента.

На макроскопическом уровне ученые делают такие прогнозы постоянно. Данный подход на основе первопричины это именно то, что проделывал Дейл Расселл, рассуждая о гипотетическом динозавроиде. Исходя из своего понимания анатомии, он смог предсказать, как процесс отбора более крупных мозгов у теропода приведет к другим анатомическим изменениям, породив в конечном итоге организм, внешне очень похожий на человеческий.

Исследователи в области физиологии и биомеханики уже давно применяют гораздо более изощренные методы для изучения взаимосвязи между анатомическим строением и функционированием организма. Какова оптимальная форма крыла птицы, которой нужно резко маневрировать? Короткая и срезанная, как у реактивного истребителя. А каковы оптимальные пропорции тела для жизни в холодном климате? Приземистая фигура с короткими конечностями, чтобы минимизировать площадь поверхности тела и, следовательно, уменьшить потерю тепла.