Введение
Использование лабораторных и полевых экспериментов для изучения динамики эволюции
Экспериментальная эволюция – это использование лабораторных экспериментов или контролируемых полевых манипуляций для изучения динамики эволюции. Эволюцию можно наблюдать в лаборатории, когда отдельные особи/популяции адаптируются к новым условиям окружающей среды посредством естественного отбора. В экспериментальной эволюции адаптация может возникать двумя различными путями. Один – когда отдельный организм приобретает новую благоприятную мутацию. Другой – в результате изменения частоты аллелей в существующей генетической изменчивости, уже присутствующей в популяции организмов. Полиморфные популяции бесполых или половых дрожжей, а также организмы с более длительными поколениями (хотя и более затратные) могут быть использованы в экспериментальной эволюции. Лабораторные исследования с лисами и грызунами (см. ниже) показали, что заметные адаптации могут происходить всего за 10–20 поколений, а эксперименты с дикими гуппи зафиксировали адаптации в течение сопоставимого числа поколений. В последнее время экспериментально эволюционировавшие особи или популяции часто анализируются с использованием секвенирования всего генома – подхода, известного как «Эволюция и ресеквенирование» (E&R). E&R позволяет выявлять мутации, приводящие к адаптации у клональных особей, или определять аллели, изменившие свою частоту в полиморфных популяциях, путем сравнения последовательностей особей/популяций до и после адаптации. С 1880-х по 1980-е годы экспериментальная эволюция эпизодически практиковалась различными эволюционными биологами, включая весьма влиятельного Теодосия Добжанского. Как и другие экспериментальные исследования в эволюционной биологии этого периода, значительная часть этих работ не отличалась широкой репликацией и проводилась в течение относительно коротких эволюционных периодов.
Современный
Экспериментальная эволюция использовалась в различных вариантах для изучения лежащих в основе эволюционных процессов в контролируемых условиях. Экспериментальная эволюция проводилась на многоклеточных и одноклеточных эукариотах, прокариотах и вирусах. Аналогичные исследования также выполнялись с помощью направленной эволюции отдельных генов ферментов, рибозимов и репликаторов.
Урожаи
В 1950-х годах советский биолог Георгий Шапошников проводил эксперименты на тлях рода Dysaphis. Пересаживая их на растения, обычно практически или полностью непригодные для их питания, он добился адаптации популяций партеногенетических потомков к новому источнику пищи до степени репродуктивной изоляции от обычных популяций того же вида.
Плодовые мухи
Одним из первых в новой волне экспериментов, использующих эту стратегию, была лабораторная "эволюционная радиация" популяций Drosophila melanogaster, которую Майкл Р. Роуз начал в феврале 1980 года. Эта система началась с десяти популяций, пять из которых культивировались при более поздних возрастах, а пять – при ранних. С тех пор в этой лабораторной радиации было создано более 200 различных популяций, с отбором, направленным на множество признаков. Некоторые из этих сильно дифференцированных популяций также подвергались обратному отбору, путем возвращения экспериментальных популяций к исходным условиям культивирования. Сотни исследователей работали с этими популяциями на протяжении большей части трех десятилетий. Большая часть этих работ обобщена в статьях, собранных в книге «Метосалах летит». Ранние эксперименты с мухами ограничивались изучением фенотипов, но молекулярные механизмы, то есть изменения в ДНК, способствовавшие этим изменениям, не могли быть идентифицированы. Это изменилось с развитием геномных технологий. Впоследствии Томас Тернер предложил термин «Эволюция и ресеквенирование» (E&R). Одним из наиболее интересных исследований экспериментальной эволюции стала работа группы Габриэля Хаддада из Калифорнийского университета в Сан-Диего, где Хаддад и его коллеги эволюционировали мух для адаптации к условиям низкой концентрации кислорода, также известным как гипоксия. После 200 поколений они использовали подход E&R для выявления геномных регионов, подвергшихся естественному отбору у мух, адаптированных к гипоксии. Более поздние эксперименты проверяют прогнозы E&R с помощью RNA-секвенирования и генетических скрещиваний, и таким образом могут открыть путь к лучшему пониманию физиологии организма и, следовательно, к пересмотру подходов к терапии заболеваний.
Микробы
Многие виды микроорганизмов имеют короткое время генерации, легко секвенируемые геномы и хорошо изученную биологию. Поэтому они часто используются в исследованиях экспериментальной эволюции. Наиболее часто используемые в экспериментальной эволюции бактериальные виды включают P. fluorescens, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis и E. coli (см. ниже), а дрожжи S. cerevisiae применяются в качестве модели для изучения эволюции эукариот.
Эксперимент Ленски с кишечной палочкой
Одним из наиболее известных примеров лабораторной бактериальной эволюции является долгосрочный эксперимент Ричарда Ленски с *E. coli*. 24 февраля 1988 года Ленски начал выращивать двенадцать линий *E. coli* в идентичных условиях роста. Когда одна из популяций эволюционировала способность аэробно метаболизировать цитрат из питательной среды и продемонстрировала значительно возросший темп роста, это стало впечатляющим свидетельством эволюции в действии. Эксперимент продолжается и по сей день, являясь самым длительным (по числу поколений) экспериментом по контролируемой эволюции, когда-либо проводившимся. С момента начала эксперимента бактерии размножились более чем в 60 000 поколений. Ленски и его коллеги регулярно публикуют обновления о ходе экспериментов.
Лейшмания доновани
Буссотти и его коллеги изолировали амастиготы из Leishmania donovani и культивировали их in vitro на протяжении 3800 поколений (36 недель). Культивирование этих паразитов показало, как они адаптировались к условиям in vitro, компенсируя потерю киназы, родственной NIMA, важной для нормального протекания митоза, за счет повышения экспрессии другой ортологичной киназы по мере увеличения числа поколений культуры. Кроме того, было установлено, что L. donovani адаптировался к культуре in vitro путем снижения экспрессии 23 транскриптов, связанных с биогенезом жгутиков, и увеличения экспрессии кластеров рибосомных белков и некодирующих РНК, таких как малые нуклеолярные РНК. Жгутики считаются менее необходимыми паразиту в культуре in vitro, поэтому с течением поколений происходит их элиминация, что приводит к экономии энергии за счет снижения подвижности и, как следствие, к увеличению скорости пролиферации и роста в культуре. Увеличение количества snoРНК также способствует усилению рибосомного биосинтеза, увеличению синтеза белка и, следовательно, повышению скорости роста культуры. Эти адаптации, наблюдаемые на протяжении поколений паразитов, обусловлены вариациями числа копий (CNV) и эпистатическими взаимодействиями между затронутыми генами, что позволяет объяснить геномную нестабильность Лейшмании посредством ее посттранскрипционной регуляции экспрессии генов.
Лабораторные домашние мыши
В 1998 году Теодор Гарланд-младший и его коллеги начали долгосрочный эксперимент, включающий селекционное разведение мышей на повышенную добровольную активность при беге в колесе. Этот эксперимент продолжается до сих пор (> 90 поколений). Мыши из четырех репликатных линий "High Runner" стали совершать почти в три раза больше оборотов колеса в день по сравнению с четырьмя контрольными неселекционированными линиями мышей, главным образом за счет более высокой скорости бега, а не увеличения продолжительности бега в течение дня. Мыши HR демонстрируют повышенную максимальную аэробную мощность при тестировании на моторизованном беговом дорожке. У них также наблюдаются изменения в мотивации и системе вознаграждения мозга. Фармакологические исследования указывают на изменения в функционировании дофаминовой системы и эндоканнабиноидной системы. Линии High Runner были предложены в качестве модели для изучения синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) у человека, и введение риталина снижает их активность в колесе примерно до уровня контрольных мышей.
Многонаправленный отбор по банковским волам
В 2005 году Павел Котея вместе с Эдитой Садовской и коллегами из Ягеллонского университета (Польша) начали многонаправленный отбор на нелабораторных грызунах, банковой полевке Myodes (= Clethrionomys) glareolus. Полевки отбираются по трем различным признакам, которые играли важную роль в адаптивной радиации наземных позвоночных: высокой максимальной скорости аэробного метаболизма, склонности к хищничеству и способности к травоядности. Аэробные линии отбираются по максимальной скорости потребления кислорода, достигаемой во время плавания при 38°C; хищные линии – по времени, необходимому для поимки живых сверчков; травоядные линии – по способности поддерживать массу тела при кормлении низкокачественной диетой, разбавленной сухой, порошкообразной травой. Для каждого из трех направлений отбора поддерживаются четыре репликативные линии и еще четыре – как не отобранные контрольные группы. После примерно 20 поколений селективного разведения у полевок из аэробных линий развилась на 60% более высокая скорость метаболизма, индуцированная плаванием, чем у полевок из не отобранных контрольных групп. Хотя протокол отбора не создает терморегуляторной нагрузки, как базальная скорость метаболизма, так и термогенная способность увеличились в аэробных линиях. Таким образом, результаты предоставили некоторую поддержку “модели аэробной способности” для эволюции эндотермии у млекопитающих. Более 85% хищных полевок ловят сверчков, по сравнению с примерно 15% не отобранных контрольных полевок, и они ловят сверчков быстрее. Повышенное хищническое поведение связано с более проактивным стилем преодоления (личностью). В ходе испытаний с низкокачественной диетой травоядные полевки теряют примерно на 2 грамма меньше массы (примерно 10% от первоначальной массы тела), чем контрольные. У травоядных полевок изменен состав бактериального микробиома в их слепой кишке. Таким образом, отбор привел к эволюции всего голобиома, и эксперимент может предложить лабораторную модель эволюции гологенома.
Синтетическая биология
Синтетическая биология открывает уникальные возможности для экспериментальной эволюции, облегчая интерпретацию эволюционных изменений посредством встраивания генетических модулей в геномы организмов-хозяев и применения селекции, направленной конкретно на эти модули. Синтетические биологические цепи, встроенные в геном Escherichia coli или дрожжей Saccharomyces cerevisiae, деградируют (теряют функцию) в ходе лабораторной эволюции. При соответствующем отборе можно изучить механизмы, лежащие в основе эволюционного восстановления утраченной биологической функции. Экспериментальная эволюция клеток млекопитающих, несущих синтетические генные схемы, выявляет роль клеточной гетерогенности в эволюции устойчивости к лекарственным препаратам, что имеет значение для устойчивости раковых клеток к химиотерапии.
Другие примеры
У рыб-колюшек есть как морские, так и пресноводные виды, причём пресноводные виды эволюционировали после последнего ледникового периода. Пресноводные виды способны выживать при более низких температурах. Ученые попытались воспроизвести эту эволюцию холодостойкости, поместив морских колюшек в холодную пресную воду. Морским колюшкам потребовалось всего три поколения, чтобы развить схожую с дикими пресноводными колюшками устойчивость к холоду, которая составляет 2,5 градуса Цельсия. Микробные клетки, а в последнее время и клетки млекопитающих, эволюционируют в условиях дефицита питательных веществ для изучения их метаболической реакции и создания клеток с полезными свойствами.
Для обучения
Благодаря короткому времени генерации микроорганизмы предоставляют возможность изучать микроэволюцию в учебной аудитории. Ряд упражнений с использованием бактерий и дрожжей позволяет освоить понятия, охватывающие эволюцию устойчивости к различным факторам и эволюцию многоклеточности. С развитием технологий секвенирования нового поколения студенты получили возможность проводить эволюционные эксперименты, секвенировать геномы получившихся эволюционировавших популяций и анализировать и интерпретировать полученные результаты.