«Эволюция в пробирке» заняла у кишечной палочки 24 года.

Кишечная палочка (Escherichia coli) википедияАмериканские микробиологи из Мичиганского университета «заставили» бактерий эволюционировать, в результате чего те стали питаться новым типом вещества. Результаты исследования опубликованы в свежем номере журнала Nature.

Эксперимент был начат в 1988 году. Ученые расселили кишечных палочек (Escherichia coli) по 12-ти культурам, и затем каждые сутки добавляли в них ограниченное количество глюкозы, которого хватало на несколько часов. Это давало бактериям стимул искать альтернативные источники энергии.

Через определенные интервалы времени исследователи отбирали образцы из всех12 культур и замораживали их, чтобы в случае необходимости «отмотать» молекулярную эволюцию. Когда у микроорганизмов сменилась 31 тысяча поколений, выяснилось, что некоторые бактерии в одной из культур Ara–3 смогли перейти на питание лимонной кислотой.

В норме бактерии E. сoli не могут потреблять лимонную кислоту в присутствии кислорода, что является их отличительной видовой особенностью. Поэтому, когда еще через 2 тысячи поколений большинство бактерий культуры Ara–3 стали питаться лимонной кислотой, ученые сочли, что у них эволюционировал совершенно новый признак.

Эволюция в три этапа

Авторы статьи разморозили образцы культуры Ara–3 за весь период ее существования и проанализировали, как менялся геном бактерий. Ученые пришли к выводу, что молекулярная эволюция у E. сoli происходила в три этапа. На первом из них произошла мутация в гене, в котором закодирован белок, направляющий лимонную кислоту в клетке.

В аэробных условиях у обычных бактерий этот ген не работает, однако у мутировавших E. сoli он переставал реагировать на присутствие кислорода. При этом единичная мутация сама по себе не способствовала эффективному усвоению лимонной кислоты. Поэтому E. сoli смогла перейти на новый тип питания только тогда, когда в ее геноме накопилось достаточное число копий мутировавшего гена.

Авторы исследования подчеркивают, что даже у таких несложно устроенных организмов, как бактерии, для приобретения нового признака недостаточно единичной мутации. «В реальности мутация – это сложный комплексный процесс перестройки ДНК, в результате чего бактерия получает новый регуляторный модуль, не существовавший ранее», – пояснил Закари Блаунт, один из авторов работы.

Источник: infox.ru

Инженерам давно известно, что лучше всего собирать систему из модулей. Если один из компонентов перестанет работать, достаточно его заменить, будь то видеокарта компьютера, генератор автомобиля или камера космического телескопа.

Напротив, если проблемы начнутся у монолитного комплекса (экономики, финансовых рынков), их будет очень трудно исправить.

Как ни странно, это правило действует и в природе. Биологические системы, как правило, модульны — в частности те, которые могут рассматриваться как сети: мозг, генетические регуляторные сети, метаболические пути. (Сети являются модульными, если они содержат сильно связанные друг с другом скопления узлов, которые с другими кластерами соединены очень слабо.)

Здесь возникает важный вопрос: каким образом биологические сети приобрели такое свойство? Должно быть какое-то эволюционное давление, но какое?

Тайна усугубляется преимуществами, которые даёт модульность. Это делает системы более способными к развитию в случае изменения окружающих условий. Поскольку мутации влияют обычно на один модуль, они приводят к конкретным небольшим изменениям приспособляемости системы. Эволюция с лёгкостью выбирает между «за» и «против» этих изменений.

Немодульным системам развиваться сложнее, потому что мутации в них обычно влияют на всю систему и далеко не всегда оказываются полезными, о чём свидетельствуют различные эксперименты.

Но модульность, само собой, даёт явное преимущество, когда она уже существует. Это не объясняет, как и почему она развивается.

Недостатка в гипотезах нет. Одна из точек зрения гласит, что модульность возникает в быстро меняющейся среде, в которой существуют общие подзадачи, но различные проблемы первого уровня. Однако реальных доказательств в пользу этого мнения пока не найдено.

По этим причинам появление модульности остаётся одним из наиболее важных открытых вопросов в биологии.

Ход Липсон из Корнеллского университета (США) и его коллеги предлагают ещё одно объяснение. По их словам, недооценивается такой ключевой фактор, как стоимость создания и поддержки сети. «Модульность развивается не потому, что она расширяет возможности эволюции, а в качестве побочного продукта снижения стоимости подключения к сети», — говорят исследователи.

Речь идёт о расходах на изготовление соединений и их содержание, об энергии, необходимой для передачи информации по ним и для сдерживания сигналов. Стоимость растёт с увеличением числа соединений и их длины.

«Действительно, многочисленные исследования сосудистой и нервной систем (в том числе головного мозга) показали, что суммарная длина схемы сведена к минимуму», — подчёркивают авторы гипотезы.

Очевидно, что у таких сетей есть важные преимущества.

Для проверки идеи г-н Липсон и коллеги разработали компьютерную среду для измерения способности различных сетей приспосабливаться к тем или иным обстоятельствам. Поначалу сети были случайными, и ни одна из них не показала хороших результатов. Но некоторые были чуть лучше других, и именно они чаще давали «потомство». Следующее поколение не являлось точной копией предыдущего, ибо содержало случайные изменения. Таким образом и происходит биологическая эволюция.

Компьютер измерял сети по двум критериям. Первый был очень простым: насколько хорошо система распознавала некий набор входных данных. А второй требовал принять во внимание затраты на поддержание сети.

Так вот, сети, которые демонстрировали лучшие показатели по первому критерию, через 25 тыс. поколений точно идентифицировали входящие сигналы. Но только те, что набирали больше баллов по второму критерию, были модульными. То есть модульность делает систему более гибкой (в мире ограниченных ресурсов минимум затрат — важное преимущество), но дело не в стремлении к модульности, а в необходимости свести к минимуму расходы.

Результаты исследования, опубликованные на сайте arXiv, могут иметь большое практическое значение. В последние годы так называемые эволюционные вычисления используются всё чаще — и в анализе рентгеновских снимков, и в работе с наборами данных для проектирования (например, деталей для сверхзвуковых самолётов). При этом инженеры никак не могли понять, как заставить систему стать модульной. Быть может, теперь НТР пойдёт ещё немного быстрее?..

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

Генетические данные говорят о том, что черепахи произошли от общего предка птиц и крокодилов, а не от более древних групп рептилий.

Эволюционные корни черепах долгие годы занимают ученых. Согласно данным палеонтологов и морфологов, черепахи отделились уже на самых ранних этапах эволюции рептилий, от их общего предка, или же на более поздних этапах, от общего предка ящериц, змей и гаттерий. Однако авторы работы, опубликованной в журнале Biology Letters, на основании генетических данных пришли к другому,неожиданному выводу: черепахи произошли от общего предка архозавров,современными представителями которых являются птицы и крокодилы.

Изучив тысячи участков генома с малой изменчивостью у черепах и других рептилий, коллектив ученых из Бостонского университета обнаружил, что черепахи генетически ближе всего к крокодилам и птицам. Это бросает вызов предыдущим палеонтологическим и анатомическим гипотезам, которые склонны «удревнять»черепах, сближая их с общими предками рептилий. Ведь, например, у черепах, как и у котилозавров, предков основных групп рептилий, в черепе нет височных окон.

По материалам предыдущих исследований, основанных на анализе генов,кодирующих микроРНК, выходило, что черепахи произошли от предка лепидозавров,включающих в себя ящериц, змей и гаттерий. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые проанализировали 1145 уникальных ультраконсервативных элементов ДНК и вариабельную фланкирующую ДНК по краям этих участков. Это и позволило сблизить черепах с архозаврами.

Ультраконсервативные элементы с очень низкой изменчивостью позволяют сравнивать геномы, в процессе эволюции сильно разошедшиеся между собой. Чем дальше тот или иной участок ДНК находится от центра ультраконсервативного элемента, тем быстрее он изменяется, что позволяет выстраивать разные шкалы эволюционного времени.

Ученые подчеркивают, что они впервые построили генетическое древо рептилий с высоким разрешением, на основании анализа множества локусов (участков) ДНК. Так как общие ультраконсервативные участки есть не только у разных позвоночных, но даже у насекомых и дрожжей, исследователи указывают, что этот метод генетического анализа позволит пересмотреть генетические связи и между другими группами организмов.

Источник: infox.ru

Учёные сумели поставить эксперимент, в котором столкнули две мощные эволюционные силы — естественный отбор и эффект основателя.

Самец анолиса Anolis sagrei (фото Filigreed)Когда животные или растения расселяются по новым территориям, часть особей уходит из родной популяции и основывает собственную. Понятно, что первопроходцы не могут взять с собой всё генетическое разнообразие исходной популяции: они несут только те гены, которые есть у них. Поэтому новая маленькая популяция должна пережить обеднение генофонда: изменчивость в ней падает, и все особи стремятся к каким-то одним параметрам, заданным основателями. Этот эволюционно-генетический эффект так и называется — эффект основателя. Ему противостоит естественный отбор: чтобы выжить в новых условиях, популяция должна действовать методом проб и ошибок, то есть у неё под рукой должно быть много вариантов, из которых какой-нибудь да пригодится. То есть генетическое разнообразие должно быть большим.

Естественно, никто в явном виде этого не наблюдал. Ученые обнаруживали новые популяции каких-то видов, отличающиеся друг от друга, и начинали теоретизировать, является нынешний облик животных следствием естественного отбора или же следствием случайного эффекта основателя. Исследователи из Университета Род-Айленда (США) решили определить взаимовлияние этих факторов, основываясь на эволюционном эксперименте. Они поселили несколько пар ящериц анолисов на ряде островов Багамского архипелага, где до сих пор этих ящериц не было. Условия благоприятствовали экспериментаторам: исходная популяция жила в лесистой местности, тогда как на других островах поблизости от «экспериментального» те же ящерицы обитали на более открытых кустарниковых пространствах. У лесных ящериц более длинные задние ноги, с помощью которых они лучше пролезают сквозь тонкие ветви и листья. У кустарниковых анолисов задние ноги короче, ими удобно балансировать, путешествуя по толстым открытым стволам и камням.

Ящериц расселили в 2005-м, и уже через год учёные видели явные признаки эффекта основателя: генетическое разнообразие ящериц на каждом из семи заселённых островов резко упало, и все популяции демонстрировали заметный разброс в длине задних ног. Эффект основателя не обращает внимания на условия среды: преимущество получил тот вариант признака, который по чистой случайности оказался у первых «колонизаторов». Поэтому все популяции стали отличаться как друг от друга, так и от материнской. Следующие несколько лет прошли под знаком естественного отбора, который заставил ящериц укоротить задние конечности: животные начали приспосабливаться к условиям среды. Однако следы первоначального эффекта основателя сохранялись: те из ящериц, у которых после расселения оказались самые длинные ноги, оставались в этом смысле чемпионами и далее, хотя длина задних конечностей и уменьшалась.

Результаты исследований учёные представили в журнале Science.

Итак, уникальный в своём роде эксперимент позволил увидеть взаимовлияние двух важных эволюционных факторов. Хотя нельзя не признать, что с условиями его проведения авторам во многом просто повезло. Ну и в качестве побочного результата исследователи отмечают то, насколько хорошо прижились расселённые ящерицы: за первые два года на чужбине популяции анолисов выросли в 13 раз. Острова, использовавшиеся для эксперимента, испытали удар мощного урагана, после которого оттуда исчезли многие виды, в том числе и анолисы. Возможно, результаты исследования пригодятся в расселении в естественной среде редких и исчезающих видов, которых разводят в неволе.

Источник:  КОМПЬЛЕНТА