Экспериментальное изучение эволюции сегодня продвигается семимильными шагами. В этой молодой области то, что уже сделано, — сущий пустяк по сравнению с тем, что еще предстоит сделать.
В большинстве экспериментов изучалась эволюция либо искусственных молекулярных систем, либо изолированных видов (таких опытов поставлено больше всего), либо пары взаимосвязанных видов (например, паразита и хозяина). Между тем прекрасно известно, что межвидовые взаимоотношения, коэволюция, приспособление видов друг к другу играют в развитии живейшую роль. Трудно придумать пример «чисто абиотического» фактора, на который не влияли бы (прямо или косвенно) живые организмы.
Присутствие других видов может повлиять на судьбу эволюционирующей популяции множеством способов. Например, из‑за наличия конкурентов популяции может достаться меньше ресурсов, в результате ее численность будет ниже, поэтому придется дольше ждать появления редких полезных мутаций, усилится генетический дрейф и в целом адаптация будет идти медленнее. Или на первый план может выйти не индивидуальный, а межвидовой отбор: виды, лучше адаптированные к среде, просто-напросто вытеснят конкурентов, причем серьезные изменения в генофондах могут даже не успеть произойти. Или популяции будут искать компромисс между приспособлением к абиотическим факторам и друг к другу: в этом случае монокультуры, которым не нужно идти на такие компромиссы, должны лучше приспособиться к неживой среде, чем члены сообщества. Наконец, популяции могут научиться извлекать пользу из присутствия других видов и даже наладить с ними взаимовыгодное сотрудничество, что должно пойти на пользу сообществу как целому.
В 2012 году биологи из Имперского колледжа Лондона предприняли одну из первых попыток сравнить эволюцию микробов в монокультурах и смешанном сообществе (Lawrence et al., 2012). Авторы работали с пятью видами бактерий, совместно встречающихся в лужах у корней буков и в дуплах. Эти бактерии на искусственной среде образуют колонии разного цвета и формы. Судя по нуклеотидным последовательностям гена 16S‑рРНК (этот ген чаще всего используют для классификации бактерий), подопытные микробы относятся к пяти разным семействам, хотя их видовую принадлежность авторы не установили и просто обозначили буквами: A, B, C, D и E. Все пять видов — аэробные гетеротрофы, т. е. потребители готовой органики, разлагающие ее с использованием кислорода.
Бактерий из природных местообитаний выращивали в лаборатории либо по отдельности, в монокультурах, либо вместе, в смешанной культуре. Кормили микробов «буковым чаем» — экстрактом буковых листьев. Понятно, что склянки с буковым чаем в лаборатории и естественные лужи в корнях буков — не одно и то же. Изменение условий при перемещении из естественной среды в искусственную должно было подстегнуть эволюцию подопытных бактерий. Бактерии эволюционировали в буковом чае в течение восьми недель, что соответствует 70 поколениям.
Эволюция в монокультурах привела к следующим результатам. Один из видов (E) не смог приспособиться к жизни в буковом чае, его численность стала быстро снижаться, поэтому его исключили из анализа. Вид A размножался в чае в начале и конце эксперимента с одинаковой скоростью, т. е. его приспособленность не изменилась. Виды B, C и D успешно адаптировались к искусственной среде и к концу эксперимента стали размножаться в чае быстрее, чем в начале.
Судьба микробов, эволюционировавших в смешанной культуре, оказалась иной. Виды A, B и C разучились жить в одиночку: к концу эксперимента они почти не могли размножаться без других бактерий. Их приспособленность к одинокой жизни в искусственной среде резко снизилась по сравнению с дикими предками. Этот результат соответствует предположению о «компромиссе» между адаптацией к биотической и абиотической среде. Впрочем, вид D, эволюционируя в смешанной культуре, приспособился не только к совместному, но и к одиночному существованию — даже лучше, чем тот же вид, эволюционировавший в монокультуре.
Чтобы расшифровать экологические связи между подопытными штаммами, авторы использовали такой прием: они выращивали в чае один штамм, затем фильтровали и стерилизовали чай, после чего пытались вырастить в нем других бактерий. Если второй штамм рос в неиспользованном чае лучше, чем в использованном, из этого делался вывод, что первый штамм изменил среду неблагоприятным для второго образом (например, использовал часть ресурсов, необходимых второму штамму). Если же второй штамм в использованном чае рос лучше, чем в свежем, это был сигнал адаптации второго штамма к первому (возможно, второй штамм научился использовать продукты жизнедеятельности первого).
Оказалось, что взаимоотношения между предковыми (дикими) штаммами в основном антагонистические — они конкурируют друг с другом за ресурсы (см. рисунок на с. 228: на левой верхней диаграмме преобладают черные стрелки, соответствующие негативному влиянию бактерий друг на друга). Один лишь вид D не страдает от присутствия других бактерий, хотя сам он угнетает их рост. Возможно, это значит, что вид D использует более широкий спектр ресурсов, чем остальные виды.
Эволюция в монокультурах усилила взаимную нетерпимость бактерий (правая верхняя диаграмма на рисунке). Теперь уже и вид D стал расти хуже в использованном чае, чем в свежем. Это значит, что в монокультурах бактерии эволюционировали конвергентно, их экологические предпочтения сблизились, т. е. они стали в большей мере использовать одни и те же ресурсы.
Эволюция в смешанной культуре привела к противоположному результату: в отношениях бактерий стало меньше антагонизма и больше кооперации. В большинстве случаев отрицательное влияние сменилось на положительное (нижняя диаграмма на рисунке: многие стрелочки из черных стали серыми). Более того, виды B и C стали быстрее размножаться в использованном чае, чем в свежем. Это значит, что микробы адаптировались к совместной жизни, научившись использовать продукты жизнедеятельности друг друга.
Анализ химического состава среды подтвердил, что эволюция в монокультурах привела к сближению спектров потребляемых ресурсов у подопытных бактерий, тогда как эволюция в смешанной культуре, напротив, способствовала расхождению этих спектров, т. е. развела виды по разным нишам, что привело к ослаблению конкуренции.
В смешанной культуре произошло в целом больше эволюционных изменений, чем в монокультурах. В частности, бактерии A в смешанной культуре к концу эксперимента стали производить вдвое больше ацетата и выделять формиат вместо того, чтобы поглощать его, как делал предковый штамм данного вида. Вид B стал использовать вдвое больше холина, формиата и лактата, а также начал потреблять сукцинат вместо того, чтобы выделять его. Вид C, в диком состоянии выделявший ацетат, начал его поглощать. Вид D, исходно потреблявший лактат и выделявший ацетат, стал, наоборот, первое вещество выделять, а второе — поглощать. Эти изменения согласуются с гипотезой о том, что бактерии в смешанных культурах научились использовать продукты жизнедеятельности друг друга: то, что одни виды стали усиленно производить, другие стали усиленно потреблять.
Напоследок авторы измерили продуктивность (ее определяли по скорости производства CO2) смешанных сообществ, составленных из четырех видов бактерий, эволюционировавших по отдельности или вместе. Во втором случае продуктивность сообщества оказалась выше. Таким образом, приспособление бактерий друг к другу пошло на пользу сообществу как целому: сообща микробы стали эффективнее разлагать органику, присутствующую в буковом настое (в главе 6 мы вернемся к вопросу о влиянии дивергенции видов на свойства экосистем).
Итак, межвидовые взаимодействия сильно влияют на эволюцию. Одно и то же изменение среды приводит один и тот же исходный вид к разным эволюционным результатам в зависимости от того, есть ли поблизости другие виды. Никто в этом, собственно, и не сомневался! Но столь наглядно продемонстрировать этот эффект в эксперименте удалось впервые.
Кроме того, исследование показало, что межвидовые взаимодействия могут ускорять эволюцию: в смешанных культурах подопытные виды изменились сильнее, чем в монокультурах. В соответствии с теоретическими ожиданиями жизнь в сообществе способствует «разделению труда», т. е. разводит виды по разным нишам: отбор поддерживает мутации, помогающие ослабить конкуренцию за ресурсы. Кроме того, виды начинают использовать вещества, выделяемые другими видами. Это соответствует представлениям о том, что эволюционирующие виды могут создавать новые ниши друг для друга. Напротив, эволюция в условиях изоляции создает предпосылки для сближения экологических предпочтений: в отсутствие видов-конкурентов эволюционирующие микробы попытаются занять одни и те же удобные места в «экологическом пространстве». Как тут не вспомнить многочисленные примеры параллельной эволюции на островах (некоторые из них мы рассмотрели в книге «Рождение сложности»).
Разумеется, бактериальное сообщество, использованное в исследовании, намного проще природных сообществ. В одном древесном дупле, скорее всего, живут тысячи видов микробов, и происходящие там эволюционные процессы могут быть гораздо сложнее воспроизведенных в эксперименте. И все же по сравнению с классическими опытами на отдельных видах данная работа представляет собой важный шаг вперед.
Эволюция под управлением компьютера
Наш рассказ об эволюционных экспериментах был бы неполон, если бы мы забыли упомянуть опыты с искусственными репликаторами — опыты, имеющие, между прочим, немалое практическое значение. Дарвиновская эволюция на наших глазах превращается в основу «высоких технологий» будущего.
Метод искусственной эволюции позволяет получать молекулы белков и РНК с заданными свойствами путем имитации естественных процессов: мутагенеза, размножения и отбора. Метод весьма эффективен, но пока трудоемок и дорог. Сначала нужно синтезировать исходную «библиотеку» разнообразных молекул, затем каким‑то образом отобрать молекулы, обладающие нужным свойством хотя бы в минимальной степени. Отобранные молекулы размножают, внося в них небольшие случайные изменения (мутации), затем снова производится отбор — и так до тех пор, пока цель не будет достигнута. Большинство операций производится вручную, причем для каждого этапа приходится специально подбирать оптимальные условия «среды».
Конечно, специалисты мечтают автоматизировать процесс. Это позволило бы ускорить и удешевить получение нужных молекул, а заодно и сделать всю процедуру более похожей на то, что происходит в природе. Ведь живые организмы эволюционируют сами, без сознательного контроля извне.
Необходимым условием такой автоматизации является способность эволюционирующих молекул к размножению — производству собственных копий. Кроме того, если мы хотим, чтобы в популяции размножающихся молекул сам собой шел естественный отбор, необходимо добиться, чтобы скорость их размножения зависела от того свойства, которое мы хотим развить в ходе эксперимента. Те молекулы, у которых данное свойство выражено сильнее, должны оставлять больше потомков. Иными словами, необходимо превратить подопытные объекты в полноценные репликаторы, да еще и направить их эволюцию в нужную нам сторону.
Эти условия легко соблюсти, когда речь идет о целых организмах, но очень непросто, когда дело касается отдельных молекул. Однако среди известных на сегодняшний день рибозимов есть подходящие. Один из них и использовали биологи из Скриппсовского института (Ла-Холья, Калифорния) при разработке компьютеризованного устройства для искусственной эволюции (Paegel, Joyce, 2008).
Этот рибозим — РНК-лигаза класса I — был искусственно получен в 1993 году. Его функция состоит в том, что он катализирует присоединение (лигирование) другой молекулы РНК к самому себе. Субстратом (присоединяемой молекулой) может служить не всякая цепочка нуклеотидов: она должна содержать участок, комплементарный одному из участков рибозима. Комплементарные участки рибозима и субстрата соединяются водородными связями, образуя «уотсон-криковские» пары. При этом свободные концы субстрата и рибозима оказываются рядом. Концы «сшиваются» — происходит лигирование.
В качестве субстрата использовался олигонуклеотид смешанной природы: короткая молекула РНК, присоединенная к более длинной молекуле ДНК. Главная хитрость в том, что ДНК-овая часть субстрата содержит промотор, т. е. участок, к которому может прикрепиться фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза. Этот фермент осуществляет транскрипцию, т. е. синтез РНК на матрице ДНК. Без промотора молекула ДНК не может быть транскрибирована.
Благодаря наличию промотора в молекуле субстрата рибозим РНК-лигаза приобретает требуемое свойство — способность размножаться, но только при условии успешного выполнения рибозимом своей функции.
Для того чтобы рибозим начал размножаться, нужно добавить в среду два фермента: ДНК-зависимую РНК-полимеразу и обратную транскриптазу — фермент, осуществляющий синтез ДНК на матрице РНК (обратную транскрипцию). Вдвоем эти ферменты успешно осуществляют синтез копий рибозима, но только в том случае, если рибозим предварительно присоединил к себе субстрат с промотором. При размножении копируется не вся молекула (рибозим вместе с присоединенным субстратом), а только сам рибозим.
Таким образом, рибозимы с высокой каталитической активностью — те, которые быстро находят, распознают и присоединяют к себе субстрат, — будут размножаться быстро, а медлительные рибозимы — медленно. Следовательно, будут сами собой отбираться, выигрывая конкуренцию за субстрат, самые эффективные рибозимы.
Компьютеризированная установка для искусственной эволюции, изготовленная учеными, устроена следующим образом. Ее главная часть представляет собой тонкую стеклянную трубочку, замкнутую в кольцо диаметром 1 см. В кольцевой резервуар помещается исходный рибозим. К кольцу присоединены дополнительные трубочки, по которым в систему подаются ферменты, субстрат и нуклеотиды, необходимые для синтеза РНК и ДНК. В кольце имеются клапаны, открытие и закрытие которых позволяет контролировать подачу веществ, перемешивание и обновление реакционной смеси. Работой клапанов управляет компьютер.
В кольцевом резервуаре рибозимы, сумевшие присоединить к себе молекулу субстрата, размножаются при помощи ферментов. В раствор добавлен флюоресцирующий краситель, присоединяющийся к молекулам рибозима. По силе флюоресценции можно следить за концентрацией рибозима. Как только эта концентрация увеличивается в десять раз по сравнению с исходной, компьютер запускает программу «разбавления». 90% реакционной смеси удаляются из кольцевого резервуара (вместе с соответствующей частью молекул рибозима) и заменяются свежим раствором реагентов (субстрата и ферментов). Затем включается программа перемешивания (оставшиеся в резервуаре молекулы рибозима перемешиваются с новой порцией реагентов). Цикл повторяется раз за разом под управлением компьютера без всякого вмешательства человека.
За ходом эволюции можно следить по сокращению времени, затрачиваемого на прохождение системой одного цикла. Длительность цикла зависит от того, насколько быстро удесятерится концентрация рибозима, а это напрямую зависит от его (рибозима) эффективности. По мере того как в ходе эволюции рибозимы становятся все более эффективными, время прохождения циклов сокращается.
В ходе эволюции в кольцевом резервуаре точность копирования молекул рибозима весьма высока, мутации возникают редко. Поэтому для ускорения эволюции исследователи несколько раз прерывали автоматизированный процесс, извлекали реакционную смесь и подвергали молекулы рибозима интенсивному случайному мутированию. Это делалось при помощи «неточных», склонных к ошибкам ферментов-полимераз. Затем смесь рибозимов-мутантов возвращали в установку, и эволюция продолжалась под управлением компьютера. Исследователи использовали эти перерывы еще и для того, чтобы постепенно сокращать концентрацию субстрата в реакционной смеси — таким образом они «приучали» эволюционирующие молекулы обходиться все меньшими количествами субстрата. Рибозимам приходилось приспосабливаться к жизни во все менее благоприятных условиях.
После 70 ч искусственной эволюции с пятью «перерывами на мутирование» каталитическая активность рибозима увеличилась в 90 раз. Для этого потребовалось всего 500 циклов инкубации и разбавления. Концентрация субстрата была снижена к концу эксперимента в 20 раз по сравнению с исходной.
Поскольку часть реакционной смеси изымалась из установки в конце каждого цикла, исследователи имели возможность в деталях проследить эволюцию подопытной популяции рибозимов. Выяснилось, что 90-кратный рост эффективности фермента произошел благодаря последовательному закреплению 11 мутаций. Авторы изучили влияние каждой из них по отдельности. Оказалось, что 11 мутаций подразделяются на четыре функциональные группы, каждая из которых имеет свои особенности. Три из четырех групп повышают эффективность рибозима сами по себе, независимо от наличия или отсутствия других мутаций. Четвертая группа сама по себе не увеличивает, а в два раза уменьшает эффективность рибозима, однако в сочетании с другими мутациями она оказывает положительный эффект. Это яркий пример эпистаза.
Авторы исследования оптимистично заключают, что в недалеком будущем получить новый рибозим методом искусственной эволюции будет не труднее, чем запустить компьютерную программу.
