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

Тогда датчане начали эксперимент заново, но в этот раз с E.coli, которая включала одну из этих мутаций, пять популяций с R164S и пять с А237Т. И в очередной раз устойчивость к цефотаксиму со временем возрастала, но у всех десяти популяций в конечном итоге уровень резистентности был существенно ниже, чем у семи самых резистентных популяций из первого эксперимента. Примечательно, что ни у одной из этих популяций не возникла мутация G238S, но они действительно включали многие другие, не наблюдаемые у популяций с G238S.

Почему G238S несовместима с R164S и А237Т, не до конца ясно, но похоже, что эти мутации заставляют фермент сгибаться различными способами. Как только первая мутация меняет модель изгиба, вторая вызывает разрушающие перемены в новой конфигурации, и таким образом мутации, будучи поощряемыми по отдельности, не могут проявиться в комбинации. Это похоже на оригами: если ты начнешь делать слона, то уже не сможешь изменить направление по ходу и сделать рыбку.

Датское исследование – это прекрасный образец исторической контингентности, случайное событие, которое радикальным образом формирует последующий эволюционный исход. Популяции, у которых сначала случайно проявляются мутации G238S, могут пойти в одном направлении, и у них часто наблюдаются высокие уровни резистентности. Но те, у которых сначала возникают другие мутации, уже не идут по этому пути: как только они появились, мутация G238S уже невыгодна. И тогда адаптивная эволюция идет по другому пути, который приводит к менее ценному и менее резистентному пункту назначения.

Эксперимент гарвардской команды не предусматривал изначально поиск других генов, а потому исследователи не обнаружили то, насколько адаптация к цефотаксиму непредсказуема.

Разница в подходах и результатах гарвардского и датского исследований ярко демонстрирует, почему так сложно заранее прогнозировать ход эволюции, работая на генетическом уровне. Геном слишком крупная и сложная структура, чтобы выделить все относящиеся к нему мутации и предсказать, какие из них повлияют друг на друга и каким образом. Сам факт, что определенный набор мутаций ведет к высокоадаптивному результату, вовсе не означает, что эти мутации обязательно проявятся. Часто существует множество различных способов породить одинаковый генотип (вспомните шестнадцать разных генетических путей появления сморщенного заполнителя в P.fluorescence) и столько же различных решений одной и той же проблемы условий обитания. Вычислить заранее, какая из мутаций вероятней всего произойдет, а какая нет, почти во всех случаях будет за гранью наших возможностей.

Много очень умных людей работают сейчас над этой проблемой как на молекулярном, так и на теоретическом уровне, так что, возможно, наша способность давать завтрашний эволюционный прогноз, как и прогноз погоды, улучшится. Но сейчас наши возможности ограничены. А это, в свою очередь, означает, что лучший способ предсказать, что эволюционирует – посмотреть на то, что произошло в прошлом, либо в ходе эволюции, либо в результате эволюционных экспериментов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ микробной адаптации указывают на то, что определенная доля предсказуемости существует, и что эта повторяемость может стать основой для развития контрмер. Конечно, микробы не единственные современные организмы, эволюционирующие нам во вред.

Сорняки, заполоняющие наши лужайки и сельскохозяйственные угодья, насекомые и грызуны, поедающие наш урожай, комары, разносчики болезней – всех их объединяет одно: они переиграли нас в наших попытках контролировать их[62]. И так же, как и в случае с микробами, это дается нам ценой миллиардов долларов и десятков тысяч жизней.

Эволюция резистентности к пестицидам (сюда же можно отнести инсектициды и гербициды[63]) имеет множество параллелей с эволюцией устойчивости к антибиотикам. Подобно большинству микробов, у сельскохозяйственных вредителей появилось широкое разнообразие способов противостоять нашему химическому арсеналу, включая изменения в поведении, которые минимизируют контакт с пестицидами; вариации наружной поверхности шкуры, не позволяющие пестицидам проникнуть внутрь. А также они освоили приемы превращать пестицид во что-то еще, изолировать его внутри тела как ненужный орган или быстро выводить его из организма. Либо могут происходить модификации в молекулярной структуре, спровоцированные пестицидом. Из-за этой массы возможных вариантов популяции одного вида, оказываясь под воздействием определенного пестицида, часто адаптируются по-разному.

С другой стороны, многие пестициды являются коммерчески успешным продуктом, потому что воздействуют на одни и те же биохимические механизмы, которые есть у многих вредителей. В результате у многих видов развились одинаковые, зачастую идентичные, способы сорвать эти атаки. Так, к примеру, у некоторых видов комаров[124] наблюдается одинаковое изменение ДНК с целью адаптироваться к инсектициду диэльдрину. Точно так же более чем у тридцати различных видов насекомых[125], включая мух, блох, тараканов, мотыльков, трипсов, тли, жуков и поцелуйных клопов, возникло одинаковое изменение в ДНК с целью выработки устойчивости к пиретроидам.

И точно так же, как в случае с микробами, когда у вредителей возникают конвергентные механизмы резистентности к пестицидам, наша способность ответно воздействовать на них усиливается. И здесь хорошим примером являются пестициды, полученные из бактерии Bacillus thuringiensis (Bt).

По неизвестным причинам этот почвенный микроорганизм вырабатывает белки, которые смертельно опасны для насекомых. Ученые определили эти белки и применили их в качестве инсектицидов. Изначально эти инсектициды распыляли на зерновые культуры, но с конца 1990-х несколько видов зерновых стали генно-модифицированными и вырабатывают белки сами. Количество фермерских угодий[126], засеянных зерновыми культурами, произведенными по биотехнологиям, в настоящее время необычайно огромно: в 2013 году общая площадь во всем мире составляла двести миллионов акров, включая две трети всего зерна в Соединенных Штатах и свыше трех четвертей хлопка в основных странах-производителях.

В лабораторных экспериментах резистентность к токсинам Bt возникла сразу, в меньшей степени в полевых исследованиях. Эти токсины связывают белки в пищеводе насекомых. Резистентность развивается преимущественно за счет мутаций, которые участвуют в выработке этих связывающих белков. К примеру, устойчивость к одному типу токсина[127] эволюционировала во многих популяциях трех видов гусениц в результате мутаций в гене, который вырабатывает связывающий токсин белок под названием кадгерин. И точно так же семь видов гусениц[128] конвергентно эволюционировали, выработав резистентность за счет мутаций, разрушающих в пищеводе белок, который транспортирует молекулы через мембраны.

Вывод о том, что мутации в нескольких генах эволюционируют повторно, имеет важное значение для осуществления противодействия эволюции резистентности несколькими способами. Во-первых, популяции вредителей можно регулярно отсеивать, выискивая появление специфических резистентных мутаций. Эти фильтры включают методы определения мутаций, найденных у лабораторных или полевых популяций. Когда такие аллели удается определить рано, то можно предпринять специальные меры, чтобы не допустить широкого распространения мутации.