Эволюцию довольно сложно изучать, не только из-за сложности задействованных процессов, но и из-за огромных временных масштабов. Значительные изменения в виде могут происходить на протяжении тысяч или даже миллионов лет. С учетом этого ограничения можно подумать, что эволюцию — или процесс, в ходе которого организмы трансформируются на протяжении многих поколений посредством естественного отбора, генетических вариаций, таких как мутации, и адаптации — невозможно изучать в лабораторных условиях. Но так не думал Ричард Ленски, человек, стоящий за самым продолжительным экспериментом по изучению эволюции в истории человечества.
24 февраля 1988 года Ленски начал «Эксперимент по долгосрочной эволюции» (LTTE), инокулировав 12 колб колониями одного и того же штамма непатогенных бактерий Escherichia coli ( E. coli ). Эксперимент требовал большого внимания. Каждый день с самого начала — за исключением короткого перерыва, когда эксперимент был приостановлен из-за ограничений, вызванных пандемией COVID-19, — 1 процент последних потомков этого предкового штамма отбирался из предыдущего, переносился в новый разбавленный сахарный раствор и оставлялся для роста.
«Бактерии легко размножаются в 100 раз за несколько часов. Однако, как только они размножатся в 100 раз, глюкоза заканчивается. Затем клетки остаются в таком состоянии до следующего дня, когда мы снова переносим 1% каждой популяции в свежую среду», — объясняет Ленски. «Бактерии размножаются бинарным делением: одна клетка растет и, увеличившись вдвое, делится, образуя две дочерние клетки; затем эти две дочерние клетки реплицируются, образуя четыре клетки; и так далее. Как выясняется, стократный рост соответствует примерно 6 и 2/3 удвоениям, или поколениям, каждый день».
После 500 поколений кишечная палочка , не предназначенная для использования в экспериментах на следующий день, обрабатывается криопротектором перед замораживанием. Преимущество использования кишечной палочки, а также такие факторы, как ее высокая скорость роста и быстрые мутации, заключается в том, что после замораживания ее можно разморозить и оживить для дальнейших исследований.
«Эти образцы позволяют совершать „путешествие во времени“ научно значимым образом, — продолжил Ленски. — Мы можем, например, напрямую сравнить нынешние бактерии LTEE с их предками. Мы даже можем сопоставить эволюционировавшие линии с их предками и тем самым количественно оценить результаты адаптации путем естественного отбора — того самого процесса, который, как понял Дарвин, „приспособляет“ организмы к окружающей среде».
Используя эту экспериментальную установку, команда попыталась изучить вопросы, на которые мы, возможно, не смогли бы ответить, просто наблюдая за природой. Это такие вопросы, как всегда ли адаптация путем естественного отбора происходит медленно и постепенно, или существуют периоды медленных или быстрых изменений, и улучшается ли (в неизменной среде) приспособленность организмов бесконечно, или существует некий пик их приспособленности, который они не могут превзойти.
Другие вопросы можно исследовать, изучив различия между 12 различными линиями, например, найдут ли одни популяции лучшие решения, чем другие, и будут ли они развиваться по схожим или различным путям, несмотря на то, что находятся в одинаковых условиях.
Эксперимент долгосрочный, результаты публикуются периодически по мере сравнения популяций друг с другом, а также с замороженной и восстановленной колонией предков. По итогам эксперимента было опубликовано более 100 научных работ, содержащих интересные и зачастую технические выводы. Но главные выводы заключаются в том, что даже в постоянных условиях приспособленность, по-видимому, увеличивается « бесконечно », хотя темп этого увеличения со временем замедляется.
«Если посмотреть на динамику приспособленности одной популяции за первые 2000 поколений, мы увидим, что приспособленность увеличилась примерно на 30%. Рост, по-видимому, включает три отдельных этапа примерно по 10% каждый. Эта закономерность точно соответствует динамике, ожидаемой в большой, изначально однородной бесполой популяции», — объяснил Ленски. «Рассмотрим мутацию, дающую 10% преимущества. Предположим, она не исчезает в результате случайного генетического дрейфа, пока она редка. Тогда потребуется примерно 250 поколений, чтобы эта мутация стала преобладающей. Большую часть этого времени мутант остается крошечным меньшинством, потому что, при условии постоянной разницы в темпах роста, соотношение мутанта к его предку изменяется экспоненциально. Следовательно, траектория приспособленности, по крайней мере в ранних поколениях, определяется последовательными селективными отборами нескольких мутаций с большим положительным эффектом. Другие полезные мутации также встречаются, но они вытесняются наиболее полезными — явление, называемое клональной интерференцией».
Команда исследователей также обнаружила интересные различия в скорости спонтанных мутаций между различными линиями колоний кишечной палочки.
«Шесть из 12 популяций LTEE эволюционировали до так называемых «гипермутаторов» к 50 000 поколениям. Непосредственными (то есть биохимическими) причинами этих изменений являются мутации в генах, продукты которых участвуют в репарации ДНК или деградации молекул, вызывающих повреждение ДНК», — объясняет Ленски. «Однако штамм E. coli, являвшийся предком LTEE, имеет низкую частоту точечных мутаций, которую мы оценили примерно в 10-10 на пару оснований за поколение. Учитывая, что геном содержит ~5 x 10⁶ пар оснований, эта частота соответствует всего лишь ~0,0005 точечных мутаций на геном за поколение. Следовательно, даже 100-кратное увеличение означает, что большинство потомков-гипермутаторов не имеют мутаций. Учитывая, что лишь часть геномных участков подвержена мутациям, которые были бы вредны в среде LTEE, мы делаем вывод, что краткосрочные издержки для 100-кратно гипермутировавшего штамма составляют ~1%».
Самый главный вывод, по крайней мере в современном странном мире, может быть самым простым: неопровержимая демонстрация адаптации путем естественного отбора прямо в лаборатории.
«Хотя никто (кроме чудаков, фанатиков и неосведомленных) не сомневается в том, что адаптация путем естественного отбора действительно происходит, модель LTEE представляет собой простое и убедительное доказательство ее силы и эффективности», — добавляет Ленски.
Хотя это и не самый длительный эволюционный эксперимент по времени, он, безусловно, самый продолжительный по количеству поколений. В 2024 году эксперимент превысил 80 000 поколений, а штаммы достигли своего исторического максимума приспособленности. Планов по завершению эксперимента нет.
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/188557-samyj-dolgij-eksperiment-po-izucheniyu-evolyutsii-dlitsya-uzhe-80-000-pokolenij
Обозрение "Terra & Comp".
