Atklājumi.lv

Un atkal par evolūciju

1988.gadā amerikāņu zinātnieku grupa Ričarda Lenska (Richard Lenski) vadībā sāka ilgtermiņa eksperimentus ar baktēriju Escherichia coli. 2009.gadā iznāca publikācija ar pirmajiem rezultātiem, kurā tika izanalizētas baktērijas 40 000 paaudzes. Izmantojot iesaldētas baktērijas, zinātnieki salīdzināja katru paaudzi ar pamatgrupu, izsekojot izmaiņas un iespējas mainīties, mutāciju ātrumu, virzienu, utt.

Izrādās, ka iesaldēšana nemaz nekaitē baktērijām, tās var atsaldēt jebkurā brīdī un izmantot eksperimentos. Un ļoti svarīgi, ka var atkārtot eksperimentus, kas parasti evolūcijas izpētē nav iespējams, jo iesaldētā pamatgrupa dod iespēju sākt eksperimentu no jauna ar to pašu grupu un vērot, vai būs tās pašas mutācijas vai citas. Un tas, savukārt, ļauj spriest par likumsakarībām.

Tagad ir veikts jauns pētījums, kura rezultāti publicēti žurnālā Science. Šoreiz bija atkārtoti eksperimenti nevis ar pamatgrupu, bet ar 500.paaudzi, kurā jau bija redzamas vairākas pozitīvās, kā arī dažas nevēlamas mutācijas. Eksperimentā izmantotās baktērijas bija modificētas, no tām izņemot gēnus, kas ļauj apmainīties ar informāciju, tāpēc mutācijas nevarēja apvienoties un kombinēties.

Starp iesaldētām baktērijām izdevas izdalīt 2 grupas – „nākamos uzvarētājus" (eventual winners, EW) ar pozitīvām mutācijām un „nākamos zaudētājus" (eventual losers, EL), kuru pēcteči turpmāk bija izzuduši. Bija saglabāti 2 celmi no katras grupas – 4 līnijas, kas attīstījās no 2 EW un 2 EL baktērijām.

Atkausētajiem „nākamajiem uzvarētājiem" bija pozitīvas mutācijas gēnos topA un rbs. Pirmais gēns palīdz atpīt un no jauna sapīt DNS molekulu transkripcijas procesā. Otrais gēns reāli ir vesels operons (gēnu grupa), kas atbild par ribozes pārstrādi. Mutācijas topA ietekmē vairāku gēnu efektivitāti un par 13 % uzlabo pielāgošanos, salīdzinoši ar senču grupu. Mutācijas operonā rbs ietekmēja DNS sektoru "izdzēšanu" un deva 1-2 % vinnestu. Tā kā baktērijas barojās ar glikozi, ribozes operona daļas zaudēšana bija pozitīva, jo samazināja šūnu izdevumus lieko olbaltumvielu sintēzei.

Vienā no „nākamo zaudētāju" celmiem nebija nekādu pozitīvu mutāciju (no zinātniekiem zināmām mutācijām), otrā – konstatētā mutācija operonā rbs, bet atšķirīga no atbilstošās „uzvarētāju" mutācijas. Vēlāk noskaidrojās, ka abās "nākamo zaudētāju" grupās bija pirms tam nezināma mutācija gēnā topA, arī atšķirīga no „uzvarētāju" mutācijas. To nosauca par topA1. Tā arī ir pozitīva, bet dod nevis 13%, bet tikai 5% priekšrocību pielāgošanās.

Sekoja vesela virkne eksperimentu. Rezultātā tika konstatēts, ka mutāciju efekti var ietekmēt viens otru, šo parādību sauc par epistāzi, bet mutāciju pozitīvisms nav absolūts un ir atkarīgs no ģenētiskā konteksta. Tāpēc EL pēctečiem sākotnējās pozitīvas mutācijas nedeva priekšrocības un laika gaitā izzuda kopā ar to nesējām, bet EW grupā, kaut atsevišķās mutācijas dažreiz nebija tik efektīgas, vienas pozitīvas mutācijas veicināja citu pozitīvo mutāciju parādīšanos. Šis secinājums tika pārbaudīts vairākos eksperimentos, katrai līnijai eksperimenti tika atkārtoti 10 reizes. Autori pierādīja, ka pozitīvo mutāciju parādīšanas ātrums EW un EL līnijās ir vienāds, bet 1.mutācijas noderīgums EW grupās ir lielāks, nekā EL grupās un ģenētiskais konteksts EW grupās ir labvēlīgāks jauno pozitīvo mutāciju parādīšanai, nekā EL grupās.

Lai saprast uzvaras likumsakarības, bija dota iespēja attīstīties 883 visu līniju paaudzēm. Turpmākais salīdzinājums pierādīja, ka uzvara nebija nejauša, EW grupās attīstības potenciāls tiešām bijis augstāks (vidējie rezultāti), nekā EL grupās. EL attīstības ceļš izrādījās mazāk perspektīvs, kaut sākumā šīm grupām bijušas dažas priekšrocības, un viens no iemesliem – šīs grupas nevarēja paaugstināt savas pielāgošanas spējas uz gēna spoT mutācijas rēķina.

Autoriem izdevās parādīt, ka populācijā ilgtermiņa perspektīvā kādas mutācijas nostiprināšanas varbūtība var būt atkarīga no šīs mutācijas ietekmes uz attīstības perspektīvām, bet mutācijas, kuras sākumā attīstījās ātrāk, tomēr nebija tik veiksmīgas vēlāk, jo jaunas pozitīvas mutācijas tiem neveidojās tik ātri, kā konkurentiem.

Paleontoloģijā ir daudz piemēru, ka sākumā vadībā izvirzījās viena grupa, bet vēlāk tā atpalika un pat izmira, bet cita virzījās uz priekšu veiksmīgāk, pie tam adaptācija notiek vienā virzienā. Pirmās uzvaras var būt nebalansētas, paviršas, bet izmaiņas, kas sākumā izskatījās lēnas, ir kompleksas, plašākas, līdzsvarotas un tāpēc ilgtermiņā veiksmīgākas. Ar to tiek skaidrota arī vairāku pazīmju attīstība cilvēka evolūcija – ja kāda mutācija veicina veselu virkni jaunu pazīmju, tad rezultāts ir redzams ļoti ātri, bet grupā, kurā notiek kompleksā pazīmju attīstība, ir konkurentspējīgāka.

Attēlā: E. coli dalīšanās brīdī. Avots: http://commons.wikimedia.org

Avoti un literatūra:

Robert J. Woods, Jeffrey E. Barrick, Tim F. Cooper, Utpala Shrestha, Mark R. Kauth, Richard E. Lenski. Second-Order Selection for Evolvability in a Large Escherichia coli Population // Science. 2011. V. 331. P. 1433–1436.

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.

Etiķetes:{tortags,580,1}{/groups}