40 000 поколений в одной пробирке

Микробиологи провели многолетний эксперимент, который доказал, что естественный отбор и эволюция могут быть изучены не только на основании археологических данных. Ученым удалось наблюдать процесс естественного отбора в реальном времени нескольких десятилетий.

24 ноября этого года исполняется ровно 150 лет с момента публикации Чарльзом Дарвином его судьбоносной работы «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь». Профессор университета Мичигана Ричард Ленски и его коллеги отмечают эту дату по-дарвиновски. Они пронаблюдали жизнедеятельность и эволюцию 40 000 поколений бактерии E. coli. Результаты наблюдений, проходивших в течение 21 года, и их анализ опубликованы в Nature.

Группа Ленски начала выращивать одноклеточную культуру E. coli в 1988 году. Она удобна тем, что размножается очень быстро, вследствие чего легко наблюдать «смену поколений». Если естественная генетическая мутация нового поколения давала бактерии преимущества в борьбе за еду, ученые полагали новые мутантные клетки доминирующими над другими.

Теория естественного отбора была детально исследована на статистически значимом числе циклов.

Таким образом, селекция изменяла геном бактерии шаг за шагом. Периодически образцы бактерий замораживались для проведения полного генетического анализа. Так, в точке 20 000 поколений было зафиксировано 45 стабильных мутаций. Согласно Дарвину, сохраниться должны были именно мутации, дающие преимущество организму, и исследования ученых подтвердили это.

Выяснилось, что связь между скоростью изменения геном бактерии и ее лучшей адаптацией к окружающей среде отнюдь не является линейной. Геном одноклеточного на отрезке до 20 000 поколений изменялся с постоянной скоростью, а вот «улучшение породы» в этом время шло с замедлением.

Однако в какой-то момент ученые наблюдали резкий скачок в качестве адаптации, так они установили новую динамическую связь адаптации и мутаций генома.

Кроме того, было показано, что не все мутации равнозначны по своему влиянию. Так, гены, вовлеченные в метаболизм ДНК, мутировали только после 26 000 поколений. Зато после этого, в целом, по всему геному скорость мутаций резко возросла, и их число выросло до 653 к 40-тысячному поколению (на 20-тысячном было лишь 45). Однако исследователи предполагают, что самые поздние разнообразные мутации уже не являются полезными для бактерии.

Именно такой механизм, но уже на уровне сложного человеческого организма, предполагают для развития некоторых раковых клеток и бактериальных инфекций.

Мутации генов, ответственных за репликацию ДНК и вызвавших резкий рост числа мутаций у E. coli, аналогичны мутациям при развитии рака.

Таким образом, канцерогенез по сути своей является эволюционным процессом и может быть в дальнейшем изучен с этой позиции.

Параллельно экспериментальной деятельности ученые разработали компьютерную программу обнаружения мутаций и их анализа на «полезность».

Эксперимент по эволюции поколений E. coli продолжается. Ученые надеются, что данные по более длительному периоду развития позволят оценить эффективность и стабильность поздних массовых мутаций, а также подтвердить или опровергнуть их вред для популяции.