Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Эти соображения легли в основу «гипотезы Черной Королевы», о которой мы рассказали в главе 3. Согласно этой гипотезе, организмам приходится постоянно эволюционировать, чтобы сохранить свою приспособленность на прежнем уровне («бежать со всех ног, чтобы остаться на месте»).
Гипотеза подтверждается многочисленными косвенными фактами, но есть и прямые эксперименты. В одном из таких британские зоологи рассмотрели сопряженную антагонистическую эволюцию паразитов и их хозяев и показали, как гонка вооружений повышает генетическое разнообразие и ускоряет эволюционные изменения (Paterson et al., 2010). В качестве модельной системы «паразит — хозяин» использовали бактерию Pseudomonas fluorescens и вирус-бактериофаг Φ2. В этой системе действительно происходит эволюционная гонка вооружений: вирусы вырабатывают новые адаптации для заражения бактерий, а бактерии — новые средства защиты (Brockhurst et al., 2007). С этой системой удобно работать, потому что вирусы и зараженные ими бактерии можно в любой момент разделить: бактерии можно «вылечить» от вирусов при помощи специальных препаратов, не вредящих здоровью бактерии, а вирусные частицы в чистом виде могут быть выделены из культуры путем центрифугирования.
Итак, гонка начинается. Ее участники — 12 популяций одинаковых бактерий (потомков одной клетки) и исходно одинаковые вирусы. Каждая популяция содержала 10 млн бактерий и 10 тыс. вирусных частиц. Популяции разделили на две группы (по шесть популяций в каждой), получившие условные названия «эволюция» (Э) и «коэволюция» (К).
В популяциях группы Э было позволено эволюционировать только вирусам, а бактерии при каждом переносе культуры в свежую питательную среду (это делалось раз в двое суток) заменяли исходными, «наивными» микробами. В группе К позволялось эволюционировать как вирусам, так и их жертвам. Эксперимент продолжался 24 дня. После этого были отсеквенированы геномы вирусов в каждой из 12 популяций. Их затем сравнивали с геномом исходного вируса и между собой. Геномы бактерий не секвенировали (они примерно в 100 раз больше, чем у фагов).
Оказалось, что у вирусов К в ходе эксперимента зафиксировалось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы Э (в среднем 11 мутаций). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет эволюционные изменения.
Популяции из группы К не только накопили больше отличий от исходного вируса, они и друг от друга стали отличаться сильнее, чем популяции Э. Вирусы К ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, способствует генетической дивергенции (расхождению) и видообразованию.
Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом и популяциями из групп К и Э. Видно, что популяции К сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции Э. 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, 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. По рисунку из Paterson et al., 2010.
Соответствует ли генетическое расхождение фагов расхождению по фенотипу, т. е. по способности заражать те или иные бактерии? В поисках ответа биологи вносили разных подопытных вирусов в каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что вирусные популяции К различаются по способности заражать бактерий из разных линий, т. е. имеют разные «спектры инфекционности». Чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и их спектры инфекционности. Характерно, что ни один из вирусов Э не смог заразить ни одну из шести популяций бактерий из группы К. Получилось, что за 24 дня эксперимента бактерии сильно продвинулись в выработке средств защиты от фагов, и те паразиты, которые не эволюционировали вместе с ними, безнадежно отстали в гонке. Кстати, для бактериофагов неспособность заразить один и тот же штамм бактерий означает репродуктивную изоляцию, т. е. невозможность обмена генетическим материалом. Вирусный «секс» может происходить между двумя вирусами, только если они совместно инфицируют одну и ту же клетку. Таким образом, изменение спектров инфекционности у подопытных вирусов — это настоящее «видообразование в пробирке».
Авторы также заметили, что все вирусные гены, в которых вирусы К накопили больше мутаций, чем вирусы Э (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 гены являются для вирусов теми «вооружениями», от которых зависит успех в «гонке».
Рояль в кустах, или Скрытая изменчивость
Одно из фундаментальных свойств живых существ — помехоустойчивость. Многие случайные помехи (как внутренние — мутации, так и внешние — колебания условий среды) тем или иным способом компенсируются и не приводят к изменению фенотипа или снижению приспособленности. Отбор поддерживает развитие адаптаций, повышающих устойчивость фенотипа к помехам, в том числе к мутациям. Примером такой адаптации могут служить белки-шапероны, помогающие принять правильную трехмерную конфигурацию другим белкам, в том числе тем, которые не могут сделать это самостоятельно из-за мутаций или неподходящих условий. О шаперонах мы рассказывали в книге «Рождение сложности».
Помехоустойчивость ведет к тому, что в популяции свободно накапливаются мутации, которые до поры до времени не влияют на приспособленность или даже вовсе не проявляются в фенотипе. Эти мутации остаются нейтральными, пока все стабилизирующие системы организма работают нормально. Но если какой-то из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость, выйдет из строя (из-за сильного внешнего воздействия или мутации в одном из генов, необходимых для работы этого механизма), вся эта скрытая изменчивость может внезапно проявиться, и тогда в популяции произойдет всплеск видимой (явной) изменчивости.
Например, отключение шаперона Hsp90 у дрозофил приводит к массовому появлению разнообразных уродств. Если какая-то из проявившихся аномалий окажется полезной в новых условиях (или если экспериментаторы начнут искусственный отбор по одному из «уродств»), то со временем аномалия может стать нормой. Такой отбор будет способствовать закреплению мутаций, стабилизирующих фенотипическое проявление нового признака. В итоге бывшая «аномалия» может начать проявляться в фенотипе уже без всяких стрессовых воздействий, при нормально работающем Hsp90 (Rutherford, Lindquist, 1998).
Скрытая изменчивость может играть важную роль в эволюции, помогая организмам приспосабливаться. Некоторые мутации, бывшие нейтральными в прежних условиях, могут оказаться полезными при изменении среды. Чем больше таких мутаций накопилось в генофонде, тем больше шансов, что хоть какие-то из них пригодятся в новых условиях.
Идея о положительном влиянии скрытой изменчивости на приспособляемость выглядит правдоподобной и даже очевидной. У нее есть немало косвенных подтверждений, но напрямую в эволюционном эксперименте ее удалось проверить лишь недавно (Hayden et al., 2011). Швейцарские биохимики выбрали в качестве подопытного объекта не организмы, а «квазиживую» систему — популяцию размножающихся рибозимов.
Использовался рибозим Azo, изготовленный из самовырезающегося интрона бактерии Azoarcus. В геноме бактерии этот интрон-рибозим находится в гене транспортной РНК. Его функция в бактериальной клетке состоит в том, чтобы самостоятельно вырезать самого себя из молекулы тРНК, т. е. осуществить самосплайсинг. In vitro, т. е. в пробирке, этот рибозим умеет осуществлять «обратный сплайсинг», т. е. разрезать в определенном месте субстрат — молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, причем «обрезки» остаются прикрепленными к рибозиму. По этим прикрепленным обрезкам можно отличить рибозим, успешно выполнивший свою функцию, от рибозима-неудачника. Это позволяет отбирать рибозимы, благополучно разрезавшие молекулу субстрата.
Исследователи размножили исходный рибозим и создали две одинаковые подопытные популяции (A и B). Эти популяции жили и размножались в течение десяти поколений. В каждом поколении проводился отбор на способность разрезать субстрат (короткую молекулу РНК). Те рибозимы, которым это удалось, отбирались и размножались при помощи мутагенных (склонных к ошибкам) полимераз. Скорость мутирования составляла в среднем одну мутацию на «особь» за поколение[57]. Чтобы следить за ходом эволюции, секвенировали по 2–3 тыс. «особей» (молекул рибозима) из каждого поколения.
