Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений
02.11.2009
Колбы с 12 экспериментальными популяциями кишечной палочки. Каждая из этих популяций вот уже 20 лет эволюционирует под пристальным наблюдением исследователей. В обсуждаемой статье в Nature рассмотрены эволюционные изменения, произошедшие в популяции A-1. Фото с сайта en.wikipedia.org
В ходе уникального эксперимента, длившегося более 20 лет, удалось детально проследить эволюционные изменения, происходившие в популяции кишечной палочки Escherichia coli в течение 40 000 поколений. В первой половине эксперимента в популяции фиксировались в основном полезные мутации, повышавшие приспособленность бактерий. Самым неожиданным результатом оказалось постоянство скорости накопления полезных мутаций. До сих пор считалось, что с постоянной скоростью должны накапливаться нейтральные мутации, а не полезные, однако в эксперименте всё оказалось наоборот. В середине эксперимента в популяции зафиксировалась мутация, резко повысившая темп мутагенеза. После этого мутации стали фиксироваться на порядок быстрее, но это были в основном уже не полезные, а нейтральные мутации.
Давняя мечта биологов — напрямую сопоставить темпы эволюции на геномном и организменном уровнях — наконец-то начинает сбываться. До сих пор в этой области приходилось довольствоваться в основном теоретическими соображениями и математическими моделями. Уникальный эксперимент, начатый в 1988 году международной командой исследователей под руководством Ричарда Ленски (Richard E. Lenski), дал возможность с небывалой доселе степенью детальности проследить ход эволюции как на уровне генома (темп накопления мутаций), так и на уровне целого организма (темп развития адаптаций).
Эксперимент проводится параллельно с 12 популяциями E. coli, но в обсуждаемой статье рассмотрена только одна из них. Бактерий выращивают на «минимальной» питательной среде (см.: minimal growth medium), в которой лимитирующим фактором, ограничивающим размножение бактерий, является недостаток пищи (глюкозы). Каждый день из пробирки с микробами берут 0,1 мл содержимого и помещают в новую пробирку с 9,9 мл свежей питательной среды. Периодически часть популяции замораживают при –80C и сохраняют для последующего изучения. Это мудро, потому что аналитические методики — в частности, методики секвенирования («прочтения») геномов — сейчас стремительно развиваются и столь же стремительно дешевеют. На сегодняшний день авторы полностью отсеквенировали геномы бактерий из поколений №0 (предковый штамм), 20! 00, 5000, 10 000, 15 000, 20 000 и 40 000.
Регулярно проводится также оценка «приспособленности» популяции. Для этого сравнивают скорость размножения «экспериментальных» микробов с контрольным меченым штаммом (о методике оценки приспособленности см. в заметке: Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009).
Длительность эксперимента и размер популяции были достаточными для того, чтобы каждая из возможных точечных мутаций (нуклеотидных замен) в ходе случайного мутирования произошла более одного раза (размер генома подопытного штамма кишечной палочки — 4,6 × 106 пар нуклеотидов).
Чем отличается «возникновение» мутации от ее «закрепления» (фиксации). Далеко не всякая возникшая мутация закрепляется (фиксируется) в популяции. Каждая мутация изначально возникает только у одного микроба. Чтобы мутация зафиксировалась, потомки этого микроба должны вытеснить всех остальных микробов в своей пробирке. Вредная мутация, скорее всего, будет отсеяна отбором. Полезная мутация под действием отбора может закрепиться, то есть распространиться в популяции и достичь стопроцентной частоты, но может и случайно потеряться, пока ее носители еще не успели как следует размножиться. Наконец, нейтральные мутации, согласно имеющимся теоретическим моделям, должны фиксироваться с постоянной скоростью, равной скорости мутирования. Частота встречаемости нейтральной мутации в популяции колеблется в соответствии с алгоритмом случайного блуждания (см. random walk) до тех пор, пока случ! айно не достигнет величины 0% (полная элиминация) или 100% (фиксация). Парадоксальным образом скорость фиксации нейтральных мутаций не зависит от размера популяции. Это объясняется тем, что чем больше популяция, тем чаще в ней возникают мутации, но и тем ниже вероятность фиксации каждой из них. В результате размер популяции в уравнении просто-напросто сокращается.
За первые 20 000 поколений в экспериментальной популяции зафиксировалось 45 мутаций, в том числе 29 однонуклеотидных замен и 16 иных мутаций (вставок, выпадений, инверсий, встраиваний мобильных элементов). Самое интересное, что скорость накопления мутаций на этом этапе была строго постоянной (все отклонения от линейной модели статистически недостоверны), тогда как приспособленность сначала росла очень быстро, а затем ее рост замедлился (см. рисунок).
Постоянная скорость фиксации, согласно теории, характерна для нейтральных мутаций. Однако все 45 мутаций не могли быть нейтральными. Ясно, что по крайней мере некоторые из них были полезными — об этом свидетельствует рост приспособленности. Полученные результаты не очень легко увязать и с гипотезой о том, что все 45 мутаций были полезными. Авторы рассматривают несколько простых моделей с разными наборами исходных допущений, из которых следует, что, если бы все мутации были полезными, то обе величины — приспособленность и число накопленных мутаций — должны были бы меняться сходным образом, то есть или расти с постоянной скоростью, или параллельно замедляться.
Простейшее из возможных объяснений состоит в том, что среди 45 зафиксировавшихся мутаций большинство были нейтральными, но некоторые были полезными, причем основная масса полезных мутаций зафиксировалась вскоре после начала эксперимента. Возможности для «полезного мутирования» довольно быстро исчерпались, и в дальнейшем фиксировались преимущественно нейтральные мутации.
Накопление мутаций (синии линии и кружки) и рост приспособленности (зеленые линии и квадраты) в экспериментальной популяции. По горизонтальной оси — номер поколения. Видно, что число зафиксировавшихся мутаций росло линейно (тонкие ломаные линии очерчивают 95-процентные доверительные интервалы линейной модели). Приспособленность сначала росла очень быстро, а потом ее рост замедлился. «Прыжки» зеленых квадратов вверх и вниз относительно зеленой линии не выходят за пределы статистической погрешности, то есть не требуют специальных объяснений. На маленьком графике в правом нижнем углу показано резкое ускорение накопления мутаций начиная примерно с поколения №26 000, когда в популяции зафиксировалась мутация, повышающая темп мутагенеза. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы, однако, приводят четыре серьезных аргумента против такого объяснения.
1) В случае преобладания нейтральных мутаций должно быть резко повышено число синонимичных нуклеотидных замен (то есть таких изменений ДНК, которые не ведут к изменениям аминокислотной последовательности белков). Вопреки этим ожиданиям, все без исключения зафиксировавшиеся мутации в кодирующих областях генов являются значимыми (несинонимичными).
2) В случае преобладания нейтральных мутаций следует ожидать, что в 12 экспериментальных популяциях (в 11 из которых полные геномы пока не секвенировались) за 20 000 поколений мутации зафиксировались в разных генах. Напротив, мутации в одних и тех же генах, закрепившиеся независимо в разных популяциях, были бы доводом в пользу того, что мутации фиксировались в результате отбора, а не генетического дрейфа (то есть мутации были полезными). Чтобы проверить это, авторы отсеквенировали у бактерий поколения №20 000 из остальных одиннадцати экспериментальных популяций 14 генов, в которых у «главной» экспериментальной популяции закрепились мутации. Оказалось, что в подавляющем большинстве случаев в других популяциях эти гены тоже изменились.
3) Если бы большинство мутаций были нейтральными, наблюдалась бы значительная внутрипопуляционная изменчивость по этим локусам (потому что полезные мутации под действием отбора фиксируются быстро, а нейтральные сначала должны долго «случайно блуждать» между нулевой и стопроцентной частотой). Это предположение не подтвердилось.
4) При помощи генной инженерии авторы смогли непосредственно определить степень полезности 9 мутаций из рассматриваемых 45. Эти мутации искусственно внедряли в геном предкового штамма. В восьми случаях из девяти приспособленность бактерий резко повысилась. Что касается девятой мутации, то авторы думают, что она тоже полезна, но не сама по себе, а в сочетании с другими мутациями, потому что точно такая же мутация закрепилась у других подопытных популяций. Для сравнения, в другом эксперименте в геном кишечной палочки вносили случайные мутации по одной, и при этом ни одна из 26 мутаций не дала ни малейшего выигрыша в приспособленности.
Таким образом, в течение первых 20 000 поколений в популяции фиксировались преимущественно полезные мутации, причем их фиксация шла с постоянной скоростью. Замедление роста приспособленности, по-видимому, было связано с тем, что средняя степень полезности мутаций постепенно снижалась. Наиболее радикальные адаптивные изменения произошли в течение первых 2000 поколений, а затем, вероятно, происходила более тонкая оптимизация фенотипа.
До сих пор речь шла только о первой половине эксперимента. Во второй его половине эволюционная динамика подопытной популяции радикально изменилась. Дело в том, что после 26 000 поколений зафиксировалась мутация в гене mutT. Этот ген кодирует белок, участвующий в репарации («починке») ДНК. В результате частота мутирования резко выросла. Как следствие, более чем на порядок выросла и частота фиксации мутаций. В течение второй половины эксперимента зафиксировалось 609 мутаций — в 13,5 раз больше, чем за первые 20 000 поколений.
Аналогичные по своей функции мутации, увеличившие темп мутагенеза, закрепились и в нескольких других экспериментальных популяциях. Из этого следует, что рост темпов мутагенеза дал бактериям адаптивное преимущество. Это, между прочим, противоречит распространенной идее о том, что в стабильных условиях организмам было бы выгодно снизить темп мутирования до нуля — и этого не происходит только из-за технической невозможности обеспечить абсолютную точность копирования ДНК (см.: В. П. Щербаков, 2005).
В «основной» популяции эта мутация появилась не позднее, чем в поколении №26 500 (из трех проверенных микробов этого поколения мутация есть у одного и отсутствует у двух). Начиная с поколения №29 000 мутация стала преобладать в популяции и, по-видимому, вскоре после этого зафиксировалась, то есть достигла частоты 100%.
«Полезность» мутации, повысившей темп мутагенеза, могла состоять только в том, что она повысила вероятность возникновения новых полезных мутаций после того, как большинство возможностей для «полезного мутирования» уже было исчерпано. Но в качестве побочного эффекта интенсификация мутагенеза неизбежно должна была привести к росту числа вредных и нейтральных мутаций.
Исходя из сказанного выше, следовало ожидать, что теперь большинство фиксирующихся мутаций будут нейтральными, а не полезными. Как мы помним, скорость фиксации нейтральных мутаций в популяции равна скорости мутагенеза независимо от размера популяции. Скорость мутирования у предкового штамма E. coli была низкой, и поэтому в первые 20 000 поколений нейтральных мутаций фиксировалось очень мало. Мутация гена mutT увеличила скорость мутирования приблизительно в 70 раз (от 1,6 × 10–10 до 1,1 × 10–8 на пару нуклеотидов на поколение). Разнообразные статистические тесты, примененные авторами, подтвердили предположение о том, что большинство из 609 «поздних» мутаций были нейтральными.
Почему-то в статье не сказано, как изменилась приспособленность бактерий во второй половине эксперимента.
Биологи активно используют результаты сравнений геномов для реконструкции путей и темпов эволюции организмов. До сих пор при этом приходилось довольствоваться в основном математическими моделями, основанными на разных более или менее правдоподобных допущениях. Теперь наконец появляется возможность экспериментальной проверки этих моделей. Первые результаты оказались во многом неожиданными. Например, мало кто ожидал, что постоянный темп накопления полезных мутаций может сопровождаться замедляющимся ростом приспособленности; или что возможны столь резкие скачки в соотношении темпов фиксации нейтральных и полезных мутаций. Основной вывод состоит в том, что количественные соотношения между разными аспектами эволюционного процесса (нейтральностью и адаптивностью, влиянием дрейфа и отбора, темпами изменений на уровне генотипа и фенотипа) могут быть существенно более сложными, неоднозначными и переменчивыми, чем предполагалось ранее.
Источник: Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski, Jihyun F. Kim. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli // Nature. 2009. V. 461. P. 1243–1247.
Об экспериментальном изучении эволюции см. также:
1) Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006.
2) Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007.
3) Начальные этапы видообразования воспроизведены в эксперименте на дрожжах, «Элементы», 06.06.2007.
4) Для видообразования достаточно одного гена, «Элементы», 28.11.2007.
5) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
6) Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009.
Александр Марков
вторник, 3 августа 2010 г.
Расширение белковой вселенной продолжается
24.05.2010
Рис. 1. Примерно так представляют себе биологи <>. Два горизонтальных измерения соответствуют фенотипу, вертикальное отражает приспособленность. Если речь идет об отдельном белке, то фенотип -- это аминокислотная последовательность, а приспособленность -- это эффективность выполнения белком своей функции. Эволюционируя путем накопления нейтральных или полезных аминокислотных замен, белок может двигаться по этому ландшафту горизонтально или вверх. Спуск в долины запрещен, п тому что мутации, снижающие эффективность работы белка, отсеиваются отбором. В результате белок может оказаться в <>, то есть застрять на одной из второстепенных вершин. Однако реальные ландшафты приспособленности, по-видимому, представляют собой не множество одиноких пиков, а сложные лабиринты горных хребтов. Двигаясь по гребням, белок может обходить пропасти, но на это уходит очень много времени. Именно поэтому многие белки, унаследованные современными организмами от последнего общего предка вс го живого, до сих пор так и не достигли предельного уровня несхожести и продолжают медленно расходиться в пространстве <>. Рисунок с сайта classes.yale.edu
Анализ аминокислотных последовательностей 572 древних белков, закодированных в геномах 836 бактерий и архей и унаследованных ими от последнего общего предка всего живого (LUCA), показал, что накопление различий между родственными белками, выполняющими одну и ту же функцию, происходило очень медленно и продолжается до сих пор. Предел расхождения так и не был достигнут за 3,5 млрд лет эволюции. По-видимому, накопление аминокислотных замен сдерживается сложными взаимодействиями ме ду разными участками белковой молекулы. Более 90% аминокислотных позиций в каждом белке в принципе могут быть изменены без снижения функциональности, но любое конкретное изменение возможно только в определенном аминокислотном <>, и поэтому в каждый момент времени реально осуществимы изменения лишь около 2% позиций.
1. Вавилонская библиотека белковых молекул
В рассказе Борхеса <> описана невообразимо огромная библиотека, содержащая абсолютно все возможные тексты определенной длины, составленные из определенного набора символов. При этом в библиотеке нет двух одинаковых книг. Схожий образ громадного, но всё же конечного <> (sequence space) используют специалисты по биоинформатике, изучающие эволюцию белков. Это воображаемое прост анство включает абсолютно все возможные последовательности из 20 аминокислот, длина которых соответствует реальному диапазону длин природных белков. Например, для белка длиной в 300 аминокислот существует 20300 возможных последовательностей. По сравнению с этим числом количество элементарных частиц во Вселенной (порядка 1080) выглядит ничтожно малым.
Каждая точка в пространстве последовательностей соответствует одному белку, а расстояние между двумя точками отражает величину различий между двумя белками. Эволюцию белковой молекулы можно представить как движение в пространстве последовательностей.
Каждой функции, выполняемой белками, соответствует некая область в пространстве последовательностей, в пределах которой любая точка -- это белок, способный успешно справиться с данной функцией. До тех пор пока эволюция белковой молекулы идет без смены функции, ее движение должно быть ограничено этой областью.
Ключевой вопрос состоит в том, насколько велики такие области и какова их структура. Теоретически они могут быть как сплошными полями, так и лабиринтами узких тропинок, разделенных <>.
Полезным дополнением к образу <> является образ <> (fitness landscape). Каждой точке пространства последовательностей соответствует та или иная величина <>, или эффективности выполнения белком своей функции. Принято представлять области высокой приспособленности в виде возвышенностей, низкой -- в виде долин или ям (рис. 1). При этом вышеупомянутые <> приобретают вид горных плато, <> становятся ребтами, а <> -- долинами и пропастями.
2. Вселенная древних белков продолжает расширяться
Фундаментальная статья, посвященная изучению общих законов эволюционного движения белков по ландшафтам приспособленности, опубликована 19 мая на сайте журнала Nature. Авторы статьи, Инна Поволоцкая и Федор Кондрашов, в настоящее время работают в Центре геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне.
Материалом для исследования послужили аминокислотные последовательности 572 древних белков, которые имелись уже у последнего общего предка всего живого (LUCA) и были унаследованы его потомками, а также нуклеотидные последовательности соответствующих генов из геномов 836 бактерий и архей. Эти белки называют <>, потому что после >3,5 млрд лет независимой эволюции в телах разнообразных потомков LUCA они до сих пор сохранили некоторое сходство своих аминокислотных последов ательностей (вплоть до поразительного 40-процентного сходства рибосомных белков L14 у бактерий и архей) и продолжают выполнять те же функции, что и у LUCA.
Рис. 2. Расширение физической и белковой Вселенной. Стрела времени направлена сверху вниз. Слева: в ходе расширения физической Вселенной увеличиваются расстояния от произвольно выбранного объекта (например, Земли) до других объектов, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию. Справа: в ходе расширения <> дочерние молекулы удаляются в пространстве последовательностей от исходной точки, которая соответствует одному из белков LUCA. При этом дистанции между произвольн о выбранным объектом (например, белком, принадлежащим эволюционной линии, которая привела к кишечной палочке E. coli) и другими объектами (родственными белками других эволюционных линий) постепенно растут. Однако белки с данной функцией не могут выйти за пределы <> подобласти в пространстве последовательностей -- иначе это будет уже другой белок, выполняющий другую функцию (эволюционные события, связанные со сменой функции белка, в обсуждаемой работе не рассматриваются). Подобласть, соответствующая данной функции, изобр жена на рисунке в виде внутреннего круга. Рано или поздно расходящиеся белки достигнут границ этой области, и дальнейшее расхождение станет невозможным (справа внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Первый вопрос, который поставили перед собой авторы, состоит в том, достигли уже эти белки максимального расхождения в пространстве последовательностей или их расхождение (накопление отличий друг от друга и от исходного предкового белка) всё еще продолжается? Сохранение высокого сходства после 3,5 млрд лет независимой эволюции, казалось бы, говорит о том, что возможности изменения этих белков весьма ограничены. Можно предположить, что области в пространстве последовательностей, соответствующие их функциям, сравнительно невел ики, и предел расхождения давно достигнут. Но возможно и другое объяснение. Эти области могут быть велики, но труднопроходимы. Например, они могут представлять собой лабиринт из немногочисленных узких хребтов, разделенных пропастями, и поэтому на <> всего потенциально доступного пространства требуется больше времени, чем прошло с момента появления LUCA.
Авторы проводят интересную аналогию между эволюцией белков и расширением Вселенной. Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем расстояние между галактиками положительно коррелирует со скоростью их разлетания. Экстраполируя эту тенденцию в прошлое, Хаббл пришел к выводу, что разлетание должно было начаться из одной точки. Эта идея легла в основу современной теории Большого взрыва. Нечто подобное происходит и с белками, расходящимися от общего предка -- исходного белка с данной функцией, который был зако дирован в геноме LUCA (рис. 2).
Чтобы выяснить, закончилось ли уже расширение <> или оно продолжается до сих пор, авторы применили оригинальные методы анализа белковых последовательностей. Рис. 3 иллюстрирует общий принцип, лежащий в основе примененной методики. Использовались четверки гомологичных (происходящих от одного предка) и выполняющих одну функцию белков. В качестве первых двух белков для каждой четверки брались близкородственные молекулы, обладающие высоким сходством аминокислотных последовательностей. Эти два бе ка назывались <>, и именно их эволюция анализировалась в рамках данной четверки.
Третий белок отличался от сестринских белков сильнее, чем они друг от друга. Он выполнял роль <>, позволяя понять, какие аминокислотные замены произошли в первом, а какие во втором сестринском белке. Например, если у внешнего белка в данной позиции стоит аминокислота K (лизин), и такая же аминокислота стоит здесь у первого из двух сестринских белков, а у второго в этом месте находится другая аминокислота (например, Y -- тирозин), то считалось, что K в данной позиции -- это <>, исходное состояние, а у второго сестринского белка произошла замена K на Y.
К этим трем белкам добавлялся четвертый, еще более далекий от сестринских, чем третий. Если у четвертого белка в данной позиции стоит аминокислота K (как на рис. 3), то делался вывод, что у второго сестринского белка произошло эволюционное изменение, увеличившее дистанцию между белками 2 и 4: белки разошлись. Если бы у четвертого белка здесь стояла аминокислота Y, то был бы сделан вывод, что в результате изменения, затронувшего белок 2, белки 2 и 4 сблизились.
Рис. 3. Принцип анализа белковых последовательностей, примененный в обсуждаемой работе. Для определения направленности аминокислотных замен (ведут ли они к увеличению или уменьшению сходства с другими гомологичными последовательностями) использовались четверки гомологичных белков, родственные отношения между которыми изображены в виде дерева. Анализ такой четверки позволяет понять, растет или снижается сходство между первыми двумя белками и четвертым. В данном случае считается, что у первого белка << предковая>> (имеющаяся у белков 2 и 3) аминокислота R в 11-й позиции (выделена синим) заменилась на E, что привело к росту сходства первого белка с четвертым, то есть к их сближению в пространстве последовательностей. У второго белка <> аминокислота K в 3-й позиции (выделена красным) заменилась на Y, что привело к снижению сходства второго белка с четвертым, то есть к их расхождению в пространстве последовательностей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Это очень хитрая методика, позволяющая обойти некоторые подводные камни, характерные для биоинформационных исследований. Она позволяет оценивать направленность эволюции (схождение или расхождение) у пары весьма удаленных друг от друга белков (например, таких как белки 1 и 4 или 2 и 4), несмотря на то, что достоверная реконструкция предковых состояний аминокислотных позиций возможна только при сравнении достаточно близких белков (например, таких как 1, 2 и 3).
В простейшем варианте расчетов учитывалось только совпадение / несовпадение аминокислот. В более сложном варианте учитывалась еще и степень сходства между разными аминокислотами, что позволило вовлечь в анализ гораздо большее число аминокислотных позиций (впрочем, на конечный результат это не повлияло).
В общей сложности было обработано 13,6 миллионов таких четверок. Для каждой четверки определялось число замен, ведущих к сближению последовательностей (Nt) и к их расхождению (Na). По соотношению этих величин (Nt/Na) можно понять общую тенденцию: расходятся ли белки, сближаются или балансируют вокруг некого постоянного уровня сходства последовательностей.
Оказалось, что даже у наиболее удаленных друг от друга гомологичных белков тенденция к расхождению значительно преобладает над тенденцией к сближению (Nt/Na < 1). Следовательно, <> продолжает расширяться, и пределы областей, соответствующих их функциям, за 3,5 млрд лет так и не были достигнуты. Эволюция этих белков была крайне медленной. Что же ее сдерживало? Решению этой проблемы посвящена вторая часть статьи, приводящая на память другой рассказ Борхеса -- <>.
3. Лабиринт расходящихся тропок
Обычного <>, отсеивающего неудачные (снижающие приспособленность) аминокислотные замены, явно недостаточно для того, чтобы объяснить медленную эволюцию древних белков. Предположение о том, что каждая аминокислота, стоящая в данной позиции, влияет на приспособленность одинаковым образом независимо от <> (то есть от того, какие аминокислоты стоят в других позициях в том же белке или в других белках, взаимодействующих с ним), соответствует представлению о легко проходимом ландшафте приспособлен ости (см. рис. 4c). Но со времен LUCA в каждом синонимичном сайте (так называют те нуклеотиды в цепи ДНК, изменение которых не влияет на структуру кодируемого белка) произошло уже свыше 100 замен. Синонимичные нуклеотидные замены -- это пример движения по ровным горизонтальным поверхностям ландшафта приспособленности. Из этого следует, что в случае хорошей проходимости ландшафта изучаемые белки давным-давно должны были освоить всю потенциально доступную им область в пространстве последовательностей, и тогда мы не наблюда и бы их продолжающегося расхождения.
Резко уменьшить проходимость ландшафта приспособленности -- превратить его в лабиринт узких тропок или горных хребтов -- может так называемый эпистаз (см. epistasis). В данном случае под эпистазом понимается зависимость влияния аминокислотной позиции на общую приспособленность белка от других аминокислотных позиций в том же белке или от свойств других эволюционирующих молекул (например, других белков или функциональных РНК), взаимодействующих с данным белком. Наличие эпистаза предполага ет, что многие аминокислотные замены являются допустимыми только в определенных контекстах. Если же контекст иной, данная замена будет снижать приспособленность, и отбор ее отбракует. Это явление в эволюции белков изучалось ранее на конкретных примерах (об одном из таких исследований рассказано в заметке Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, <>, 12.04.2006). Если эпистаз широко распространен, белок может добраться до многих потенциально достижимых пунктов в пространстве последо вательностей только долгим обходным путем (рис. 4b).
Для проверки гипотезы о важной роли эпистаза в эволюции белков авторы придумали хитроумный тест, основанный на сопоставлении темпов накопления <> и <> мутаций с дистанциями между белками. Темпы накопления мутаций в данном случае вычислялись другим, более изощренным методом, чем в первой части статьи (что диктовалось требованиями поставленной задачи). В частности, использовалось не абсолютное число замен, а доля реализованных замен данного типа из общего числа потенциально возможных для данной последова тельности. Основная идея состояла в том, что гипотезы о наличии и отсутствии эпистаза дают противоположные предсказания о том, как должна меняться частота закрепления сближающих и разводящих мутаций по мере снижения сходства между белками.
Если влияние эпистаза невелико, то у двух близких белков темп накопления разводящих мутаций должен быть высоким, а по мере расхождения последовательностей он должен снижаться. Темп накопления сближающих мутаций при этом должен оставаться примерно постоянным.
Если же эпистаз оказывает сильное влияние на эволюцию белков, всё должно быть наоборот: разводящие мутации должны накапливаться с примерно постоянной скоростью, а темп накопления сближающих мутаций в начале должен быть высоким, а по мере расхождения белков он должен снижаться.
Проведенные расчеты убедительно подтвердили гипотезу о сильном влиянии эпистаза на эволюцию белков. Оказалось, что темп накопления разводящих мутаций практически не зависит от дистанции между белками. В каждый момент времени лишь около 2% аминокислотных позиций могут быть изменены без снижения приспособленности, хотя в долгосрочной перспективе более 90% позиций могут измениться -- но к этим изменениям нужно идти долгими обходными путями по лабиринту узких <> ландшафта приспособленности. У близких, недавно р зошедшихся белков темп накопления сближающих мутаций (отнесенный к числу потенциально возможных мутаций такого типа) очень высок, потому что у близких белков аминокислотный <> для каждой позиции является сходным. Поэтому та аминокислота, которая недавно стояла в данной позиции, с большой вероятностью может <> на свое место, и это не снизит приспособленность. Напротив, у сильно отличающихся белков данная позиция уже находится в сильно отличающихся контекстах, и поэтому <> аминокислоты, которая стоял а здесь у далекого предка, с большой вероятностью снизит приспособленность, и мутация будет отсеяна.
В открытом авторами снижении вероятности сближающих мутаций по мере расхождения белков ярко проявляется правило необратимости эволюции: чем сильнее разошлись белки, тем меньше у них шансов снова стать похожими (см. также: Закон необратимости эволюции объяснен на молекулярном уровне, <>, 30.09.2009).
Рис. 4. Пространство последовательностей можно изобразить в виде графа, вершины которого соответствуют разным последовательностям (в данном случае показаны последовательности из двух нуклеотидов), а рёбра — единичным эволюционным событиям (нуклеотидным заменам). В первом случае (a) ландшафт приспособленности представляет собой сплошное ровное плато: все 16 последовательностей имеют одинаково высокую приспособленность и все возможные мутации разрешены (не будут отбракованы отбором). Два к ратчайших пути, соединяющие последовательности AT и GC, состоят всего из двух мутационных шагов (толстые фиолетовые стрелки). Во втором случае (b) половина последовательностей имеют пониженную приспособленность (отмечены черными кругами). При этом снижение приспособленности определяется не конкретным нуклеотидом в конкретной позиции, а уникальной комбинацией обоих нуклеотидов. Согласованное влияние двух или более нуклеотидов (или аминокислот) на приспособленность называют «эпистазом». Эпистаз резко снижает п оходимость ландшафта: число доступных траекторий снижается, и кратчайший путь между двумя пунктами (например, от AT к GC) удлиняется. В третьем случае (c) тоже половина последовательностей имеют пониженную приспособленность, но эпистаза нет: нуклеотиды A и G во второй позиции снижают приспособленность независимо от состояния первой позиции. Отсутствие эпистаза способствует тому, что ландшафт остается легко проходимым, и от AT к GC можно прийти всего за два шага, как и в первом случае. Рисунок из обсуждаемой ст атьи в Nature
Таким образом, ландшафт приспособленности белков отличается повышенной <>, он похож на труднопроходимый лабиринт узких горных хребтов, передвигаться по которому эволюционирующие белки могут лишь очень медленно. Один из выводов работы состоит в том, что крупномасштабные модели эволюции белков обязательно должны учитывать влияние эпистаза. Кроме того, эту работу можно рассматривать как новый весьма сильный аргумент в пользу единства происхождения всего живого. Подобно тому как разбегающиеся галактики указывают а существовавший в прошлом единый центр, из которого все объекты во Вселенной начали свое движение, так и продолжающееся по сей день <> древних белков недвусмысленно указывает на их происхождение от единого предка (см. также: Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, <>, 19.05.2010).
Источник: Inna S. Povolotskaya, Fyodor A. Kondrashov. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe // Nature. Advance online publication 19 May 2010. Doi:10.1038/nature09105.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
24.05.2010
Рис. 1. Примерно так представляют себе биологи <>. Два горизонтальных измерения соответствуют фенотипу, вертикальное отражает приспособленность. Если речь идет об отдельном белке, то фенотип -- это аминокислотная последовательность, а приспособленность -- это эффективность выполнения белком своей функции. Эволюционируя путем накопления нейтральных или полезных аминокислотных замен, белок может двигаться по этому ландшафту горизонтально или вверх. Спуск в долины запрещен, п тому что мутации, снижающие эффективность работы белка, отсеиваются отбором. В результате белок может оказаться в <>, то есть застрять на одной из второстепенных вершин. Однако реальные ландшафты приспособленности, по-видимому, представляют собой не множество одиноких пиков, а сложные лабиринты горных хребтов. Двигаясь по гребням, белок может обходить пропасти, но на это уходит очень много времени. Именно поэтому многие белки, унаследованные современными организмами от последнего общего предка вс го живого, до сих пор так и не достигли предельного уровня несхожести и продолжают медленно расходиться в пространстве <>. Рисунок с сайта classes.yale.edu
Анализ аминокислотных последовательностей 572 древних белков, закодированных в геномах 836 бактерий и архей и унаследованных ими от последнего общего предка всего живого (LUCA), показал, что накопление различий между родственными белками, выполняющими одну и ту же функцию, происходило очень медленно и продолжается до сих пор. Предел расхождения так и не был достигнут за 3,5 млрд лет эволюции. По-видимому, накопление аминокислотных замен сдерживается сложными взаимодействиями ме ду разными участками белковой молекулы. Более 90% аминокислотных позиций в каждом белке в принципе могут быть изменены без снижения функциональности, но любое конкретное изменение возможно только в определенном аминокислотном <>, и поэтому в каждый момент времени реально осуществимы изменения лишь около 2% позиций.
1. Вавилонская библиотека белковых молекул
В рассказе Борхеса <> описана невообразимо огромная библиотека, содержащая абсолютно все возможные тексты определенной длины, составленные из определенного набора символов. При этом в библиотеке нет двух одинаковых книг. Схожий образ громадного, но всё же конечного <> (sequence space) используют специалисты по биоинформатике, изучающие эволюцию белков. Это воображаемое прост анство включает абсолютно все возможные последовательности из 20 аминокислот, длина которых соответствует реальному диапазону длин природных белков. Например, для белка длиной в 300 аминокислот существует 20300 возможных последовательностей. По сравнению с этим числом количество элементарных частиц во Вселенной (порядка 1080) выглядит ничтожно малым.
Каждая точка в пространстве последовательностей соответствует одному белку, а расстояние между двумя точками отражает величину различий между двумя белками. Эволюцию белковой молекулы можно представить как движение в пространстве последовательностей.
Каждой функции, выполняемой белками, соответствует некая область в пространстве последовательностей, в пределах которой любая точка -- это белок, способный успешно справиться с данной функцией. До тех пор пока эволюция белковой молекулы идет без смены функции, ее движение должно быть ограничено этой областью.
Ключевой вопрос состоит в том, насколько велики такие области и какова их структура. Теоретически они могут быть как сплошными полями, так и лабиринтами узких тропинок, разделенных <>.
Полезным дополнением к образу <> является образ <> (fitness landscape). Каждой точке пространства последовательностей соответствует та или иная величина <>, или эффективности выполнения белком своей функции. Принято представлять области высокой приспособленности в виде возвышенностей, низкой -- в виде долин или ям (рис. 1). При этом вышеупомянутые <> приобретают вид горных плато, <> становятся ребтами, а <> -- долинами и пропастями.
2. Вселенная древних белков продолжает расширяться
Фундаментальная статья, посвященная изучению общих законов эволюционного движения белков по ландшафтам приспособленности, опубликована 19 мая на сайте журнала Nature. Авторы статьи, Инна Поволоцкая и Федор Кондрашов, в настоящее время работают в Центре геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне.
Материалом для исследования послужили аминокислотные последовательности 572 древних белков, которые имелись уже у последнего общего предка всего живого (LUCA) и были унаследованы его потомками, а также нуклеотидные последовательности соответствующих генов из геномов 836 бактерий и архей. Эти белки называют <>, потому что после >3,5 млрд лет независимой эволюции в телах разнообразных потомков LUCA они до сих пор сохранили некоторое сходство своих аминокислотных последов ательностей (вплоть до поразительного 40-процентного сходства рибосомных белков L14 у бактерий и архей) и продолжают выполнять те же функции, что и у LUCA.
Рис. 2. Расширение физической и белковой Вселенной. Стрела времени направлена сверху вниз. Слева: в ходе расширения физической Вселенной увеличиваются расстояния от произвольно выбранного объекта (например, Земли) до других объектов, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию. Справа: в ходе расширения <> дочерние молекулы удаляются в пространстве последовательностей от исходной точки, которая соответствует одному из белков LUCA. При этом дистанции между произвольн о выбранным объектом (например, белком, принадлежащим эволюционной линии, которая привела к кишечной палочке E. coli) и другими объектами (родственными белками других эволюционных линий) постепенно растут. Однако белки с данной функцией не могут выйти за пределы <> подобласти в пространстве последовательностей -- иначе это будет уже другой белок, выполняющий другую функцию (эволюционные события, связанные со сменой функции белка, в обсуждаемой работе не рассматриваются). Подобласть, соответствующая данной функции, изобр жена на рисунке в виде внутреннего круга. Рано или поздно расходящиеся белки достигнут границ этой области, и дальнейшее расхождение станет невозможным (справа внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Первый вопрос, который поставили перед собой авторы, состоит в том, достигли уже эти белки максимального расхождения в пространстве последовательностей или их расхождение (накопление отличий друг от друга и от исходного предкового белка) всё еще продолжается? Сохранение высокого сходства после 3,5 млрд лет независимой эволюции, казалось бы, говорит о том, что возможности изменения этих белков весьма ограничены. Можно предположить, что области в пространстве последовательностей, соответствующие их функциям, сравнительно невел ики, и предел расхождения давно достигнут. Но возможно и другое объяснение. Эти области могут быть велики, но труднопроходимы. Например, они могут представлять собой лабиринт из немногочисленных узких хребтов, разделенных пропастями, и поэтому на <> всего потенциально доступного пространства требуется больше времени, чем прошло с момента появления LUCA.
Авторы проводят интересную аналогию между эволюцией белков и расширением Вселенной. Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем расстояние между галактиками положительно коррелирует со скоростью их разлетания. Экстраполируя эту тенденцию в прошлое, Хаббл пришел к выводу, что разлетание должно было начаться из одной точки. Эта идея легла в основу современной теории Большого взрыва. Нечто подобное происходит и с белками, расходящимися от общего предка -- исходного белка с данной функцией, который был зако дирован в геноме LUCA (рис. 2).
Чтобы выяснить, закончилось ли уже расширение <> или оно продолжается до сих пор, авторы применили оригинальные методы анализа белковых последовательностей. Рис. 3 иллюстрирует общий принцип, лежащий в основе примененной методики. Использовались четверки гомологичных (происходящих от одного предка) и выполняющих одну функцию белков. В качестве первых двух белков для каждой четверки брались близкородственные молекулы, обладающие высоким сходством аминокислотных последовательностей. Эти два бе ка назывались <>, и именно их эволюция анализировалась в рамках данной четверки.
Третий белок отличался от сестринских белков сильнее, чем они друг от друга. Он выполнял роль <>, позволяя понять, какие аминокислотные замены произошли в первом, а какие во втором сестринском белке. Например, если у внешнего белка в данной позиции стоит аминокислота K (лизин), и такая же аминокислота стоит здесь у первого из двух сестринских белков, а у второго в этом месте находится другая аминокислота (например, Y -- тирозин), то считалось, что K в данной позиции -- это <>, исходное состояние, а у второго сестринского белка произошла замена K на Y.
К этим трем белкам добавлялся четвертый, еще более далекий от сестринских, чем третий. Если у четвертого белка в данной позиции стоит аминокислота K (как на рис. 3), то делался вывод, что у второго сестринского белка произошло эволюционное изменение, увеличившее дистанцию между белками 2 и 4: белки разошлись. Если бы у четвертого белка здесь стояла аминокислота Y, то был бы сделан вывод, что в результате изменения, затронувшего белок 2, белки 2 и 4 сблизились.
Рис. 3. Принцип анализа белковых последовательностей, примененный в обсуждаемой работе. Для определения направленности аминокислотных замен (ведут ли они к увеличению или уменьшению сходства с другими гомологичными последовательностями) использовались четверки гомологичных белков, родственные отношения между которыми изображены в виде дерева. Анализ такой четверки позволяет понять, растет или снижается сходство между первыми двумя белками и четвертым. В данном случае считается, что у первого белка << предковая>> (имеющаяся у белков 2 и 3) аминокислота R в 11-й позиции (выделена синим) заменилась на E, что привело к росту сходства первого белка с четвертым, то есть к их сближению в пространстве последовательностей. У второго белка <> аминокислота K в 3-й позиции (выделена красным) заменилась на Y, что привело к снижению сходства второго белка с четвертым, то есть к их расхождению в пространстве последовательностей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Это очень хитрая методика, позволяющая обойти некоторые подводные камни, характерные для биоинформационных исследований. Она позволяет оценивать направленность эволюции (схождение или расхождение) у пары весьма удаленных друг от друга белков (например, таких как белки 1 и 4 или 2 и 4), несмотря на то, что достоверная реконструкция предковых состояний аминокислотных позиций возможна только при сравнении достаточно близких белков (например, таких как 1, 2 и 3).
В простейшем варианте расчетов учитывалось только совпадение / несовпадение аминокислот. В более сложном варианте учитывалась еще и степень сходства между разными аминокислотами, что позволило вовлечь в анализ гораздо большее число аминокислотных позиций (впрочем, на конечный результат это не повлияло).
В общей сложности было обработано 13,6 миллионов таких четверок. Для каждой четверки определялось число замен, ведущих к сближению последовательностей (Nt) и к их расхождению (Na). По соотношению этих величин (Nt/Na) можно понять общую тенденцию: расходятся ли белки, сближаются или балансируют вокруг некого постоянного уровня сходства последовательностей.
Оказалось, что даже у наиболее удаленных друг от друга гомологичных белков тенденция к расхождению значительно преобладает над тенденцией к сближению (Nt/Na < 1). Следовательно, <> продолжает расширяться, и пределы областей, соответствующих их функциям, за 3,5 млрд лет так и не были достигнуты. Эволюция этих белков была крайне медленной. Что же ее сдерживало? Решению этой проблемы посвящена вторая часть статьи, приводящая на память другой рассказ Борхеса -- <>.
3. Лабиринт расходящихся тропок
Обычного <>, отсеивающего неудачные (снижающие приспособленность) аминокислотные замены, явно недостаточно для того, чтобы объяснить медленную эволюцию древних белков. Предположение о том, что каждая аминокислота, стоящая в данной позиции, влияет на приспособленность одинаковым образом независимо от <> (то есть от того, какие аминокислоты стоят в других позициях в том же белке или в других белках, взаимодействующих с ним), соответствует представлению о легко проходимом ландшафте приспособлен ости (см. рис. 4c). Но со времен LUCA в каждом синонимичном сайте (так называют те нуклеотиды в цепи ДНК, изменение которых не влияет на структуру кодируемого белка) произошло уже свыше 100 замен. Синонимичные нуклеотидные замены -- это пример движения по ровным горизонтальным поверхностям ландшафта приспособленности. Из этого следует, что в случае хорошей проходимости ландшафта изучаемые белки давным-давно должны были освоить всю потенциально доступную им область в пространстве последовательностей, и тогда мы не наблюда и бы их продолжающегося расхождения.
Резко уменьшить проходимость ландшафта приспособленности -- превратить его в лабиринт узких тропок или горных хребтов -- может так называемый эпистаз (см. epistasis). В данном случае под эпистазом понимается зависимость влияния аминокислотной позиции на общую приспособленность белка от других аминокислотных позиций в том же белке или от свойств других эволюционирующих молекул (например, других белков или функциональных РНК), взаимодействующих с данным белком. Наличие эпистаза предполага ет, что многие аминокислотные замены являются допустимыми только в определенных контекстах. Если же контекст иной, данная замена будет снижать приспособленность, и отбор ее отбракует. Это явление в эволюции белков изучалось ранее на конкретных примерах (об одном из таких исследований рассказано в заметке Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, <>, 12.04.2006). Если эпистаз широко распространен, белок может добраться до многих потенциально достижимых пунктов в пространстве последо вательностей только долгим обходным путем (рис. 4b).
Для проверки гипотезы о важной роли эпистаза в эволюции белков авторы придумали хитроумный тест, основанный на сопоставлении темпов накопления <> и <> мутаций с дистанциями между белками. Темпы накопления мутаций в данном случае вычислялись другим, более изощренным методом, чем в первой части статьи (что диктовалось требованиями поставленной задачи). В частности, использовалось не абсолютное число замен, а доля реализованных замен данного типа из общего числа потенциально возможных для данной последова тельности. Основная идея состояла в том, что гипотезы о наличии и отсутствии эпистаза дают противоположные предсказания о том, как должна меняться частота закрепления сближающих и разводящих мутаций по мере снижения сходства между белками.
Если влияние эпистаза невелико, то у двух близких белков темп накопления разводящих мутаций должен быть высоким, а по мере расхождения последовательностей он должен снижаться. Темп накопления сближающих мутаций при этом должен оставаться примерно постоянным.
Если же эпистаз оказывает сильное влияние на эволюцию белков, всё должно быть наоборот: разводящие мутации должны накапливаться с примерно постоянной скоростью, а темп накопления сближающих мутаций в начале должен быть высоким, а по мере расхождения белков он должен снижаться.
Проведенные расчеты убедительно подтвердили гипотезу о сильном влиянии эпистаза на эволюцию белков. Оказалось, что темп накопления разводящих мутаций практически не зависит от дистанции между белками. В каждый момент времени лишь около 2% аминокислотных позиций могут быть изменены без снижения приспособленности, хотя в долгосрочной перспективе более 90% позиций могут измениться -- но к этим изменениям нужно идти долгими обходными путями по лабиринту узких <> ландшафта приспособленности. У близких, недавно р зошедшихся белков темп накопления сближающих мутаций (отнесенный к числу потенциально возможных мутаций такого типа) очень высок, потому что у близких белков аминокислотный <> для каждой позиции является сходным. Поэтому та аминокислота, которая недавно стояла в данной позиции, с большой вероятностью может <> на свое место, и это не снизит приспособленность. Напротив, у сильно отличающихся белков данная позиция уже находится в сильно отличающихся контекстах, и поэтому <> аминокислоты, которая стоял а здесь у далекого предка, с большой вероятностью снизит приспособленность, и мутация будет отсеяна.
В открытом авторами снижении вероятности сближающих мутаций по мере расхождения белков ярко проявляется правило необратимости эволюции: чем сильнее разошлись белки, тем меньше у них шансов снова стать похожими (см. также: Закон необратимости эволюции объяснен на молекулярном уровне, <>, 30.09.2009).
Рис. 4. Пространство последовательностей можно изобразить в виде графа, вершины которого соответствуют разным последовательностям (в данном случае показаны последовательности из двух нуклеотидов), а рёбра — единичным эволюционным событиям (нуклеотидным заменам). В первом случае (a) ландшафт приспособленности представляет собой сплошное ровное плато: все 16 последовательностей имеют одинаково высокую приспособленность и все возможные мутации разрешены (не будут отбракованы отбором). Два к ратчайших пути, соединяющие последовательности AT и GC, состоят всего из двух мутационных шагов (толстые фиолетовые стрелки). Во втором случае (b) половина последовательностей имеют пониженную приспособленность (отмечены черными кругами). При этом снижение приспособленности определяется не конкретным нуклеотидом в конкретной позиции, а уникальной комбинацией обоих нуклеотидов. Согласованное влияние двух или более нуклеотидов (или аминокислот) на приспособленность называют «эпистазом». Эпистаз резко снижает п оходимость ландшафта: число доступных траекторий снижается, и кратчайший путь между двумя пунктами (например, от AT к GC) удлиняется. В третьем случае (c) тоже половина последовательностей имеют пониженную приспособленность, но эпистаза нет: нуклеотиды A и G во второй позиции снижают приспособленность независимо от состояния первой позиции. Отсутствие эпистаза способствует тому, что ландшафт остается легко проходимым, и от AT к GC можно прийти всего за два шага, как и в первом случае. Рисунок из обсуждаемой ст атьи в Nature
Таким образом, ландшафт приспособленности белков отличается повышенной <>, он похож на труднопроходимый лабиринт узких горных хребтов, передвигаться по которому эволюционирующие белки могут лишь очень медленно. Один из выводов работы состоит в том, что крупномасштабные модели эволюции белков обязательно должны учитывать влияние эпистаза. Кроме того, эту работу можно рассматривать как новый весьма сильный аргумент в пользу единства происхождения всего живого. Подобно тому как разбегающиеся галактики указывают а существовавший в прошлом единый центр, из которого все объекты во Вселенной начали свое движение, так и продолжающееся по сей день <> древних белков недвусмысленно указывает на их происхождение от единого предка (см. также: Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, <>, 19.05.2010).
Источник: Inna S. Povolotskaya, Fyodor A. Kondrashov. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe // Nature. Advance online publication 19 May 2010. Doi:10.1038/nature09105.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
Шимпанзе не бросают сирот
11.02.10 | Этология, Психология, Елена Наймарк | Комментарии (1)
Взрослый самец шимпанзе колет орехи для своей маленькой приемной дочки. Фото из обсуждаемой статьи в PlosOne
Немецкие ученые в течение 30 лет вели наблюдения за группами шимпанзе в естественной среде. Они установили, что в природе шимпанзе нередко берут на воспитание детенышей-сирот, потерявших мать. Такой поступок связан с исключительными личными затратами и рисками; он не приносит приемным родителям никакой пользы. Это проявление настоящего альтруизма, какого в условиях неволи ученым зафиксировать не удавалось. Альтруистическое поведение у шимпанзе, как и в человеческих обществах, формируется при наличии мощного внешнего врага и межгрупповых конфликтов.
Альтруизм — это бескорыстная помощь другим, не предполагающая награды. С точки зрения здравого, «экономического» смысла альтруизм вреден: индивидуум затрачивает силы, не получая ничего взамен. Тем не менее, вопреки логике, альтруистическое поведение существует. Это означает, что наш здравый смысл не учитывает каких-то важных преимуществ альтруистического поведения, за счет которых оно могло появиться в ходе эволюционного развития. Эволюционисты разработали модели, в которых альтруистическое поведение оказывается выгодным и поддерживается отбором. Эти модели базируются на двух невзаимоисключающих механизмах — родственном отборе и реципрокной (взаимной) пользе.
Родственный отбор подразумевает, что особи, совершая дорогостоящие альтруистические поступки, обеспечивают репродуктивный успех своим родственникам — носителям тех же генов, в число которых входят и гены альтруистического поведения. Чем ближе родственники, на которых направлен альтруистический акт, тем больше шансов на сохранение и передачу потомству своих генов. Таким способом происходит становление и закрепление альтруистического поведения.
При реципрокном альтруизме совершающий добрые поступки ожидает возвратной пользы в будущем, то есть это поведение по принципу «ты мне — я тебе». Этот тип взаимоотношений в коллективах разных животных чрезвычайно распространен. Он практикуется, естественно, и в человеческих обществах и на нем основаны многие экономические модели. Однако в современном мире (в обществах европейского типа) реципрокный альтруизм зачастую не признается настоящим и трактуется в негативном смысле как фарисейство — настоящий альтруизм совершается от всего сердца и без ожидания награды. Подобная благотворительность, направленная не на родственников и не ожидающая будущих выгод, считается исключительным свойством человеческого сознания и человеческого общества. Эксперименты, проводимые на животных, в подавляющем большинстве случаев подтверждают эту человеческую уникальность.
Однако новые данные, полученные группой исследователей из Института эволюционной антропологии Макса Планка (Лейпциг, Германия) и из Швейцарского центра научных исследований (Абиджан, Кот-д’Ивуар) под руководством Кристофа Беша (Сhristophe Boesch), свидетельствуют о существовании высокой морали и среди животных.
Группа Кристофа Беша в течение почти трех десятилетий проводит наблюдения за несколькими популяциями лесных шимпанзе в их естественной обстановке в национальном парке Берега Слоновой Кости. За это время ученые обнаружили, что в этих популяциях практикуются оригинальные технологии добывания орехов и обучение молодежи этим технологиям, а также что шимпанзе умеют планировать свои отношения с членами стада. Кроме того, удалось подтвердить наличие превосходной пространственной памяти у шимпанзе. Последняя статья приматологов в журнале PLoS ONE доказывает наличие у шимпанзе такого чистого проявления альтруизма, как усыновление.
Взять на воспитание осиротевшего малыша — это достаточно дорогостоящее предприятие; даже в человеческих обществах находится не много сердобольных граждан, берущих на себя такую ответственность и такие затраты. А уж в животном мире и подавно. Ведь родителям-шимпанзе приходится не только кормить приемыша, но и таскать его на себе или, рискуя жизнью, ждать уставшего малыша, пока всё стадо уже ушло вперед; нужно защищать его от внешних опасностей и делить с ним свое спальное место, ограждать от нападок сородичей, а такое частенько случается не только в детских человеческих коллективах, но и среди обезьян.
Обычно все эти затраты и риски берет на себя мать. Ее родительское участие продолжается три–пять лет, пока детеныш не станет совсем взрослым. Редко случается, что отец шимпанзенка принимает на себя долю всех этих трудностей. Его родительский вклад ограничивается лишь более частыми играми со своим ребенком, чем с другими малышами такого же возраста. Поэтому, когда у шимпанзенка умирает мать, он чаще всего тоже не выживает или очень сильно отстает в развитии — слишком трудна и опасна жизнь для неокрепших членов стада. Шимпанзенок-сирота может нормально вырасти только в случае усыновления. В условиях неволи случаи усыновления неизвестны. Но в природе, как показали наблюдения, такое случается.
За 27 лет ученые зарегистрировали 36 малышей-сирот, из которых были усыновлены 18. Примерно половина усыновленных детенышей (10 из 18) выжила. Среди приемышей было примерно одинаковое число девочек и мальчиков. Удивительно, что приемными родителями становились не только самки, но и самцы (тех и других было примерно поровну), хотя отцовская забота у шимпанзе редкость. Причем, как показали генетические тесты и наблюдения, среди самцов-усыновителей был только один настоящий отец осиротевшего детеныша, остальные сердобольные самцы были подросшими братьями, друзьями погибших матерей или случайными членами группы.
Самец во время долгого вояжа несет на спине уставшего приемного детеныша. Фото из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
Так, например, пятимесячного Момо взял друг умершей матери, то же произошло и с двумя другими осиротевшими шимпанзятами. Четырех малышей опекали совсем не связанные с матерью взрослые обезьяны. Приемные родители показывали чудеса заботы. Ученые наблюдали, как приемный отец расколол за 2 часа около 200 орехов, из которых 80% отдал своему приемному сыну; другой самец много месяцев таскал на спине приемную дочку, не бросая ее в отчаянных встречах с соседним враждебным стадом. Немало трудностей пришлось пережить и Улиссу, среднеранговому самцу, дважды бравшего себе воспитанников. Самцы-конкуренты постоянно третировали его несчастных воспитанников, чтобы таким образом сводить с ним счеты. Ему приходилось вступать в драки, защищая приемных детенышей. Ему удавалось выдерживать конфликты в первый раз полтора года, во второй раз три месяца; потом он всё же бросал сирот. Поистине, за этими обезьяньими историями просматриваются настоящие трагедии с «человеческими» слезами!
Из-за того что многие приемные родители не были никак генетически связаны с сиротами, нельзя считать, что альтруизм у шимпанзе развился в результате родственного отбора — тогда сиротам старались бы помогать их близкие родичи. В действительности присутствие родственников не увеличивало вероятность усыновления. Трудно себе представить и реципрокную пользу от рискованной и дорогостоящей заботы о брошенных детенышах, поскольку самцы брали себе сирот обоего пола с равной вероятностью. Вряд ли они целенаправленно подращивали для себя будущих защитников или покладистых самок для спаривания — усыновление было выгодно лишь самим детенышам-сиротам и не давало никаких выгод взрослым альтруистам. По-видимому, воспитание сирот, забота о них приносит пользу всей популяции, увеличивая ее потенциальную численность.
Появление столь очевидного альтруизма ученые связывают с условиями жизни конкретной популяции. Все группы шимпанзе, в которых зафиксированы случаи усыновления, обитают в крайне опасном окружении. В отличие от других районов, с с этими группами соседствует внушительная популяция леопардов — наиболее опасных для шимпанзе хищников. Только кооперативное поведение — слаженные действия во благо стада — позволяют шимпанзе защищаться от этих свирепых врагов. В таких условиях и происходит становление альтруистического поведения. В других популяциях, где пресс хищников невелик, а также в неволе, подвиги становятся необязательными, альтруистическое поведение — вредным.
В человеческих обществах, между прочим, альтруистическое поведение тоже характерно для групп, живущих в окружении врагов и постоянно участвующих во внешних конфликтах. Таким образом, ясно видятся аналогии в становлении альтруистического поведения у шимпанзе и в человеческих группах. В связи с этим ученые предлагают пересмотреть не только методику изучения альтруизма у животных, содержащихся в неволе, но и по-новому оценить взаимоотношения в коллективах животных.
Источник: Christophe Boesch, Camille Bolé, Nadin Eckhardt, Hedwige Boesch. Altruism in Forest Chimpanzees: The Case of Adoption // PLoS ONE, 27 January, 2010.
См. также: А. В. Марков. Эволюция кооперации и альтруизма: от бактерий до человека — расширенная версия доклада на IV Международной конференции «Биология: от молекулы до биосферы», 15.12.2009 (обзорная статья о становлении альтруизма у животных).
Елена Наймарк
11.02.10 | Этология, Психология, Елена Наймарк | Комментарии (1)
Взрослый самец шимпанзе колет орехи для своей маленькой приемной дочки. Фото из обсуждаемой статьи в PlosOne
Немецкие ученые в течение 30 лет вели наблюдения за группами шимпанзе в естественной среде. Они установили, что в природе шимпанзе нередко берут на воспитание детенышей-сирот, потерявших мать. Такой поступок связан с исключительными личными затратами и рисками; он не приносит приемным родителям никакой пользы. Это проявление настоящего альтруизма, какого в условиях неволи ученым зафиксировать не удавалось. Альтруистическое поведение у шимпанзе, как и в человеческих обществах, формируется при наличии мощного внешнего врага и межгрупповых конфликтов.
Альтруизм — это бескорыстная помощь другим, не предполагающая награды. С точки зрения здравого, «экономического» смысла альтруизм вреден: индивидуум затрачивает силы, не получая ничего взамен. Тем не менее, вопреки логике, альтруистическое поведение существует. Это означает, что наш здравый смысл не учитывает каких-то важных преимуществ альтруистического поведения, за счет которых оно могло появиться в ходе эволюционного развития. Эволюционисты разработали модели, в которых альтруистическое поведение оказывается выгодным и поддерживается отбором. Эти модели базируются на двух невзаимоисключающих механизмах — родственном отборе и реципрокной (взаимной) пользе.
Родственный отбор подразумевает, что особи, совершая дорогостоящие альтруистические поступки, обеспечивают репродуктивный успех своим родственникам — носителям тех же генов, в число которых входят и гены альтруистического поведения. Чем ближе родственники, на которых направлен альтруистический акт, тем больше шансов на сохранение и передачу потомству своих генов. Таким способом происходит становление и закрепление альтруистического поведения.
При реципрокном альтруизме совершающий добрые поступки ожидает возвратной пользы в будущем, то есть это поведение по принципу «ты мне — я тебе». Этот тип взаимоотношений в коллективах разных животных чрезвычайно распространен. Он практикуется, естественно, и в человеческих обществах и на нем основаны многие экономические модели. Однако в современном мире (в обществах европейского типа) реципрокный альтруизм зачастую не признается настоящим и трактуется в негативном смысле как фарисейство — настоящий альтруизм совершается от всего сердца и без ожидания награды. Подобная благотворительность, направленная не на родственников и не ожидающая будущих выгод, считается исключительным свойством человеческого сознания и человеческого общества. Эксперименты, проводимые на животных, в подавляющем большинстве случаев подтверждают эту человеческую уникальность.
Однако новые данные, полученные группой исследователей из Института эволюционной антропологии Макса Планка (Лейпциг, Германия) и из Швейцарского центра научных исследований (Абиджан, Кот-д’Ивуар) под руководством Кристофа Беша (Сhristophe Boesch), свидетельствуют о существовании высокой морали и среди животных.
Группа Кристофа Беша в течение почти трех десятилетий проводит наблюдения за несколькими популяциями лесных шимпанзе в их естественной обстановке в национальном парке Берега Слоновой Кости. За это время ученые обнаружили, что в этих популяциях практикуются оригинальные технологии добывания орехов и обучение молодежи этим технологиям, а также что шимпанзе умеют планировать свои отношения с членами стада. Кроме того, удалось подтвердить наличие превосходной пространственной памяти у шимпанзе. Последняя статья приматологов в журнале PLoS ONE доказывает наличие у шимпанзе такого чистого проявления альтруизма, как усыновление.
Взять на воспитание осиротевшего малыша — это достаточно дорогостоящее предприятие; даже в человеческих обществах находится не много сердобольных граждан, берущих на себя такую ответственность и такие затраты. А уж в животном мире и подавно. Ведь родителям-шимпанзе приходится не только кормить приемыша, но и таскать его на себе или, рискуя жизнью, ждать уставшего малыша, пока всё стадо уже ушло вперед; нужно защищать его от внешних опасностей и делить с ним свое спальное место, ограждать от нападок сородичей, а такое частенько случается не только в детских человеческих коллективах, но и среди обезьян.
Обычно все эти затраты и риски берет на себя мать. Ее родительское участие продолжается три–пять лет, пока детеныш не станет совсем взрослым. Редко случается, что отец шимпанзенка принимает на себя долю всех этих трудностей. Его родительский вклад ограничивается лишь более частыми играми со своим ребенком, чем с другими малышами такого же возраста. Поэтому, когда у шимпанзенка умирает мать, он чаще всего тоже не выживает или очень сильно отстает в развитии — слишком трудна и опасна жизнь для неокрепших членов стада. Шимпанзенок-сирота может нормально вырасти только в случае усыновления. В условиях неволи случаи усыновления неизвестны. Но в природе, как показали наблюдения, такое случается.
За 27 лет ученые зарегистрировали 36 малышей-сирот, из которых были усыновлены 18. Примерно половина усыновленных детенышей (10 из 18) выжила. Среди приемышей было примерно одинаковое число девочек и мальчиков. Удивительно, что приемными родителями становились не только самки, но и самцы (тех и других было примерно поровну), хотя отцовская забота у шимпанзе редкость. Причем, как показали генетические тесты и наблюдения, среди самцов-усыновителей был только один настоящий отец осиротевшего детеныша, остальные сердобольные самцы были подросшими братьями, друзьями погибших матерей или случайными членами группы.
Самец во время долгого вояжа несет на спине уставшего приемного детеныша. Фото из обсуждаемой статьи в PLoS ONE
Так, например, пятимесячного Момо взял друг умершей матери, то же произошло и с двумя другими осиротевшими шимпанзятами. Четырех малышей опекали совсем не связанные с матерью взрослые обезьяны. Приемные родители показывали чудеса заботы. Ученые наблюдали, как приемный отец расколол за 2 часа около 200 орехов, из которых 80% отдал своему приемному сыну; другой самец много месяцев таскал на спине приемную дочку, не бросая ее в отчаянных встречах с соседним враждебным стадом. Немало трудностей пришлось пережить и Улиссу, среднеранговому самцу, дважды бравшего себе воспитанников. Самцы-конкуренты постоянно третировали его несчастных воспитанников, чтобы таким образом сводить с ним счеты. Ему приходилось вступать в драки, защищая приемных детенышей. Ему удавалось выдерживать конфликты в первый раз полтора года, во второй раз три месяца; потом он всё же бросал сирот. Поистине, за этими обезьяньими историями просматриваются настоящие трагедии с «человеческими» слезами!
Из-за того что многие приемные родители не были никак генетически связаны с сиротами, нельзя считать, что альтруизм у шимпанзе развился в результате родственного отбора — тогда сиротам старались бы помогать их близкие родичи. В действительности присутствие родственников не увеличивало вероятность усыновления. Трудно себе представить и реципрокную пользу от рискованной и дорогостоящей заботы о брошенных детенышах, поскольку самцы брали себе сирот обоего пола с равной вероятностью. Вряд ли они целенаправленно подращивали для себя будущих защитников или покладистых самок для спаривания — усыновление было выгодно лишь самим детенышам-сиротам и не давало никаких выгод взрослым альтруистам. По-видимому, воспитание сирот, забота о них приносит пользу всей популяции, увеличивая ее потенциальную численность.
Появление столь очевидного альтруизма ученые связывают с условиями жизни конкретной популяции. Все группы шимпанзе, в которых зафиксированы случаи усыновления, обитают в крайне опасном окружении. В отличие от других районов, с с этими группами соседствует внушительная популяция леопардов — наиболее опасных для шимпанзе хищников. Только кооперативное поведение — слаженные действия во благо стада — позволяют шимпанзе защищаться от этих свирепых врагов. В таких условиях и происходит становление альтруистического поведения. В других популяциях, где пресс хищников невелик, а также в неволе, подвиги становятся необязательными, альтруистическое поведение — вредным.
В человеческих обществах, между прочим, альтруистическое поведение тоже характерно для групп, живущих в окружении врагов и постоянно участвующих во внешних конфликтах. Таким образом, ясно видятся аналогии в становлении альтруистического поведения у шимпанзе и в человеческих группах. В связи с этим ученые предлагают пересмотреть не только методику изучения альтруизма у животных, содержащихся в неволе, но и по-новому оценить взаимоотношения в коллективах животных.
Источник: Christophe Boesch, Camille Bolé, Nadin Eckhardt, Hedwige Boesch. Altruism in Forest Chimpanzees: The Case of Adoption // PLoS ONE, 27 January, 2010.
См. также: А. В. Марков. Эволюция кооперации и альтруизма: от бактерий до человека — расширенная версия доклада на IV Международной конференции «Биология: от молекулы до биосферы», 15.12.2009 (обзорная статья о становлении альтруизма у животных).
Елена Наймарк
Гонка вооружений — двигатель эволюции
01.03.2010
Схема строения бактериофага (слева) и электронная микрофотография фага Т4. Изображения с сайтов www.thenakedscientists.com и www.scienceclarified.com
Эксперименты с вирусами Ф2 и их жертвами, бактериями Pseudomonas fluorescens, подтвердили классические представления, согласно которым эволюционная «гонка вооружений» резко ускоряет накопление генетических различий и способствует дивергенции (расхождению) эволюционирующих линий. Вирусы, вынужденные приспосабливаться к эволюции своих жертв, накапливали мутации быстрее и становились более разнообразными по сравнению с теми вирусами, которым исследователи позволили из поколения в поколение паразитировать на генетически идентичных (не эволюционирующих) бактериях.
Эволюционные «гонки вооружений» (evolutionary arms race), по-видимому, являются одним из самых мощных двигателей эволюции. Если бы среда обитания организмов оставалась строго постоянной, естественный отбор, скорее всего, привел бы их строение и физиологию к некому локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или вовсе прекратиться. Но среда обитания не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важнейшие параметры среды зависят от других живых организмов. Эволюция постоянно подстегивается положительными обратными связями, потому что изменения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, и так далее, до бесконечности. «Гонка вооружений» может идти как между разными видами (например, когда газели и гепард! ы «соревнуются» друг с другом в скорости бега), так и внутри вида (той же газели, чтобы выжить, не так важно обогнать гепарда, как хотя бы одну другую газель), или, например, между самцами и самками (см.: П. Н. Петров. Самцы жуков-плавунцов насильники и убийцы; Sexual conflict).
Эти соображения легли в основу широко известной «гипотезы Черной королевы» (Red Queen’s hypothesis), о которой мы рассказывали в заметке Современные паразиты опаснее прошлых и будущих («Элементы», 12.12.2007). Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность (эффективность размножения) на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).
Всё это кажется достаточно простым и очевидным, но получить прямое экспериментальное подтверждение этих моделей не так-то просто, потому что эволюция, как известно, процесс медленный. Впрочем, биологи уже наловчились ставить красивые эксперименты по «эволюции в пробирке», используя для этого модельные объекты с быстрой сменой поколений, такие как бактерии, вирусы, дрожжи, насекомые или круглые черви.
В новой статье, опубликованной на сайте журнала Nature, британские биологи сообщили о новом экспериментальном подтверждении теоретических представлений, согласно которым антагонистическая сопряженная эволюция паразитов и их хозяев ускоряет эволюционные изменения и способствует росту генетического разнообразия (что, в свою очередь, является важнейшей предпосылкой для видообразования). В качестве модельной системы «паразит–хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Ф2. С этой системой удобно работать, потому что вирусов и зараженных ими бактерий можно в любой момент разделить: бактерий можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных химических препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.
Ранее авторы уже установили, что в этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al. Experimental coevolution with bacteria and phage: the Pseudomonas fluorescens–Ф2 model system // Infect. Genet. Evol. 2007. V. 7. P. 547–552). До сих пор эти изменения анализировались только на уровне фенотипа (по способности вирусов заражать тех или иных бактерий и по способности бактерий защищаться). Оставались неизвестными молекулярные механизмы адаптации и скорость изменений на уровне ДНК (скорость молекулярной эволюции).
В эксперименте использовались бактерии, которые изначально были генетически идентичными, и исходно одинаковые вирусы. Всего было создано 12 подопытных популяций, каждая из которых изначально содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (E) и «коэволюция» (C).
В популяциях группы E было позволено эволюционировать только вирусам, а бактерий при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) заменяли исходными, «наивными» микробами. В группе C экспериментаторы позволяли эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Эволюционный эксперимент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы (прочтены) геномы вирусов в каждой из 12 подопытных популяций. Эти геномы затем сравнивались с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).
Оказалось, что у вирусов из группы C в ходе эксперимента закрепилось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы E (в среднем 11 мутаций). Чем «появление» мутации отличается от ее «закрепления», см. в заметке Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений («Элементы», 02.11.2009). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет накопление изменений на уровне ДНК (молекулярную эволюцию).
Популяции из группы C не только накопили больше отличий от исходного вируса. Они и друг от друга стали отличаться намного сильнее, чем популяции из группы E. Иными словами, вирусы из группы C значительно ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, действительно способствует генетической дивергенции и, в конечном счете, видообразованию.
Соответствует ли генетическая дивергенция фагов из шести популяций группы C дивергенции по фенотипу, то есть по способности заражать тех или иных бактерий? В поисках ответа авторы пытались заразить этими вирусами каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших вместе с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что шесть вирусных популяций различаются по своей способности заражать тех или иных бактерий, то есть имеют разные «спектры инфекционности». При этом чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционности. Характерно, что ни один из вирусов группы E не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы C. Получается, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от подобных вирусов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали от них в эволюционно! й гонке.
Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом (ref) и популяциями из групп C и E. Видно, что популяции C сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции E. Параллельное независимое закрепление ряда мутаций в разных популяциях привело к тому, что на этой схеме 12 ветвей, соответствующих 12 экспериментальным популяциям, не расходятся в виде звездочки от своего общего предка (ref), что в точности отражало бы их эволюционную историю, а образуют древовидную фигуру. Это, между прочим, лишний раз подчеркивает низкую достоверность эволюционных реконструкций, основанных на небольшом числе адаптивных признаков. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы из группы C накопили больше мутаций, чем вирусы из группы E (таких генов было выявлено четыре), участвуют в прикреплении фага к бактериальной клетке. От успешности этой процедуры зависит, сумеет ли фаг заразить бактерию. По-видимому, именно эти четыре гена являются для вирусов теми «вооружениями», на которые они делают ставку в «гонке».
Еще один интересный результат состоит в том, что в шести популяциях группы E многие эволюционные изменения оказались одинаковыми, то есть под действием одинаковых факторов отбора в разных популяциях закрепились одни и те же мутации. В популяциях группы C доля таких параллелизмов была ниже (см.: Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006).
Данная работа интересна прежде всего как хороший пример прямого экспериментального подтверждения теоретических моделей, давно уже ставших общепринятыми, но до сих пор опиравшихся в основном на косвенные данные.
Источник: Paterson S. et al. Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution // Nature. 2010. Advance online publication 24 February 2010.
См. также об эволюционной гонке вооружений:
1) Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007.
2) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
3) Муравьи стараются не пахнуть как гусеницы, пахнущие как муравьи, «Элементы», 10.01.2008.
4) Неядовитые змеи вырабатывают устойчивость к смертоносному яду тритонов, «Элементы», 21.03.2008.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
01.03.2010
Схема строения бактериофага (слева) и электронная микрофотография фага Т4. Изображения с сайтов www.thenakedscientists.com и www.scienceclarified.com
Эксперименты с вирусами Ф2 и их жертвами, бактериями Pseudomonas fluorescens, подтвердили классические представления, согласно которым эволюционная «гонка вооружений» резко ускоряет накопление генетических различий и способствует дивергенции (расхождению) эволюционирующих линий. Вирусы, вынужденные приспосабливаться к эволюции своих жертв, накапливали мутации быстрее и становились более разнообразными по сравнению с теми вирусами, которым исследователи позволили из поколения в поколение паразитировать на генетически идентичных (не эволюционирующих) бактериях.
Эволюционные «гонки вооружений» (evolutionary arms race), по-видимому, являются одним из самых мощных двигателей эволюции. Если бы среда обитания организмов оставалась строго постоянной, естественный отбор, скорее всего, привел бы их строение и физиологию к некому локальному оптимуму, после чего эволюционные изменения должны были бы замедлиться или вовсе прекратиться. Но среда обитания не может быть абсолютно неизменной хотя бы потому, что для большинства живых существ важнейшие параметры среды зависят от других живых организмов. Эволюция постоянно подстегивается положительными обратными связями, потому что изменения одних организмов меняют среду для других и вынуждают их приспосабливаться к этим изменениям, что, в свою очередь, опять меняет среду, и так далее, до бесконечности. «Гонка вооружений» может идти как между разными видами (например, когда газели и гепард! ы «соревнуются» друг с другом в скорости бега), так и внутри вида (той же газели, чтобы выжить, не так важно обогнать гепарда, как хотя бы одну другую газель), или, например, между самцами и самками (см.: П. Н. Петров. Самцы жуков-плавунцов насильники и убийцы; Sexual conflict).
Эти соображения легли в основу широко известной «гипотезы Черной королевы» (Red Queen’s hypothesis), о которой мы рассказывали в заметке Современные паразиты опаснее прошлых и будущих («Элементы», 12.12.2007). Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность (эффективность размножения) на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).
Всё это кажется достаточно простым и очевидным, но получить прямое экспериментальное подтверждение этих моделей не так-то просто, потому что эволюция, как известно, процесс медленный. Впрочем, биологи уже наловчились ставить красивые эксперименты по «эволюции в пробирке», используя для этого модельные объекты с быстрой сменой поколений, такие как бактерии, вирусы, дрожжи, насекомые или круглые черви.
В новой статье, опубликованной на сайте журнала Nature, британские биологи сообщили о новом экспериментальном подтверждении теоретических представлений, согласно которым антагонистическая сопряженная эволюция паразитов и их хозяев ускоряет эволюционные изменения и способствует росту генетического разнообразия (что, в свою очередь, является важнейшей предпосылкой для видообразования). В качестве модельной системы «паразит–хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Ф2. С этой системой удобно работать, потому что вирусов и зараженных ими бактерий можно в любой момент разделить: бактерий можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных химических препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.
Ранее авторы уже установили, что в этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al. Experimental coevolution with bacteria and phage: the Pseudomonas fluorescens–Ф2 model system // Infect. Genet. Evol. 2007. V. 7. P. 547–552). До сих пор эти изменения анализировались только на уровне фенотипа (по способности вирусов заражать тех или иных бактерий и по способности бактерий защищаться). Оставались неизвестными молекулярные механизмы адаптации и скорость изменений на уровне ДНК (скорость молекулярной эволюции).
В эксперименте использовались бактерии, которые изначально были генетически идентичными, и исходно одинаковые вирусы. Всего было создано 12 подопытных популяций, каждая из которых изначально содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (E) и «коэволюция» (C).
В популяциях группы E было позволено эволюционировать только вирусам, а бактерий при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) заменяли исходными, «наивными» микробами. В группе C экспериментаторы позволяли эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Эволюционный эксперимент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы (прочтены) геномы вирусов в каждой из 12 подопытных популяций. Эти геномы затем сравнивались с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).
Оказалось, что у вирусов из группы C в ходе эксперимента закрепилось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы E (в среднем 11 мутаций). Чем «появление» мутации отличается от ее «закрепления», см. в заметке Подведены итоги эволюционного эксперимента длиной в 40 000 поколений («Элементы», 02.11.2009). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет накопление изменений на уровне ДНК (молекулярную эволюцию).
Популяции из группы C не только накопили больше отличий от исходного вируса. Они и друг от друга стали отличаться намного сильнее, чем популяции из группы E. Иными словами, вирусы из группы C значительно ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, действительно способствует генетической дивергенции и, в конечном счете, видообразованию.
Соответствует ли генетическая дивергенция фагов из шести популяций группы C дивергенции по фенотипу, то есть по способности заражать тех или иных бактерий? В поисках ответа авторы пытались заразить этими вирусами каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших вместе с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что шесть вирусных популяций различаются по своей способности заражать тех или иных бактерий, то есть имеют разные «спектры инфекционности». При этом чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционности. Характерно, что ни один из вирусов группы E не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы C. Получается, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от подобных вирусов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали от них в эволюционно! й гонке.
Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом (ref) и популяциями из групп C и E. Видно, что популяции C сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции E. Параллельное независимое закрепление ряда мутаций в разных популяциях привело к тому, что на этой схеме 12 ветвей, соответствующих 12 экспериментальным популяциям, не расходятся в виде звездочки от своего общего предка (ref), что в точности отражало бы их эволюционную историю, а образуют древовидную фигуру. Это, между прочим, лишний раз подчеркивает низкую достоверность эволюционных реконструкций, основанных на небольшом числе адаптивных признаков. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы из группы C накопили больше мутаций, чем вирусы из группы E (таких генов было выявлено четыре), участвуют в прикреплении фага к бактериальной клетке. От успешности этой процедуры зависит, сумеет ли фаг заразить бактерию. По-видимому, именно эти четыре гена являются для вирусов теми «вооружениями», на которые они делают ставку в «гонке».
Еще один интересный результат состоит в том, что в шести популяциях группы E многие эволюционные изменения оказались одинаковыми, то есть под действием одинаковых факторов отбора в разных популяциях закрепились одни и те же мутации. В популяциях группы C доля таких параллелизмов была ниже (см.: Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006).
Данная работа интересна прежде всего как хороший пример прямого экспериментального подтверждения теоретических моделей, давно уже ставших общепринятыми, но до сих пор опиравшихся в основном на косвенные данные.
Источник: Paterson S. et al. Antagonistic coevolution accelerates molecular evolution // Nature. 2010. Advance online publication 24 February 2010.
См. также об эволюционной гонке вооружений:
1) Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007.
2) Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать, «Элементы», 06.10.2009.
3) Муравьи стараются не пахнуть как гусеницы, пахнущие как муравьи, «Элементы», 10.01.2008.
4) Неядовитые змеи вырабатывают устойчивость к смертоносному яду тритонов, «Элементы», 21.03.2008.
Александр Марков
Эта новость на «Элементах»
Подписаться на:
Сообщения (Atom)