Проповеди об эволюции: как приручить лисицу, подружить бактерий и эволюционировать за четыре дня
Многие думают, что эволюция - это что-то очень медленное и вообще неуловимое для простых смертных.
Конечно же, это не так! Словосочетание «эволюционный эксперимент» - давно уж не оксюморон.
А если там в ветвях сидит какая-нибудь маленькая птичка? :-))) Разумеется, если ставить эволюционные эксперименты на слонах и баобабах, результатов придётся ждать не одно человеческое поколение.
С этими скоропортящимися быстро размножающимися и короткоживущими организмами - бактериями, мухами (внизу справа - тоже мухи! их странный облик сформировал половой отбор), нематодами, дрожжами и мелкими рыбёшками гораздо проще. И то - отследить в лаборатории, как у рыб вырастают ноги, и те выходят на сушу, тоже не позволяет скоротечность человеческой жизни. (Впрочем, минутка отсебятины, можно было бы ускорить процесс хотя бы формирования лапок, если бы долгосрочный эволюционный эксперимент поставили на мелководных удильщиках!)
Впрочем, кое-какими долгосрочными эволюционными экспериментами мы все так или иначе занимаемся, сознательно или бессознательно. Речь об одомашнивании животных и окультуривании растений. Только вот не первый в этом человек, не первый!
Когда речь пошла о сельском хозяйстве у других животных, мне сразу вспомнились муравьи, которые выращивают грибы. Смутно я помнила, что сельским хозяйством из нечеловеческих животных кто-то ещё занимался. Точно, термиты! И у них успехи серьёзнее наших... ну, времени больше было :-))) Неизвестно, просуществует ли человечество 30 миллионов лет...
А что до муравьёв, Александр Владимирович упомянул такую умопомрачительную подробность: оказывается, муравьи могут не только выращивать съедобные грибы, но и актинобактерии для того, чтобы защищать их от грибков-вредителей (также актинобактерии для защиты от грибков-вредителей выращивают и муравьи, которые запасают зерно)! Вот чего не знала, того не знала!
Интересный такой момент был затронут: считать ли отдельными видами наших домашних животных, как изначально считали. Особенно интересно, что делать с собаками. С одной стороны, они прекрасно скрещиваются с волками и даже шакалами - репродуктивной изоляции нет. С другой - морфология и поведение всё-таки очень сильно отличаются. Что, если здесь основной критерий вида - не основной? Интересно подумать на досуге.
Если бы Антуан де-Сент Экзюпери побывал в Новосибирске, то написал бы:
«Лис замолчал и долго смотрел на Беляева. Потом сказал: «Пожалуйста... Дмитрий Константинович, приручите меня!» :-)))
Обо всём этом деле подробно написано в недавно вышедшей книге «Как приручить лису (и превратить в собаку)». Лично у меня, каюсь, руки до неё так и не дошли. И дело, вероятно, в пустяковом искажении сознания: меня слегка коробит, когда в научно-популярной литературе лисицу называют лисой: всё-таки лиса - в сказках и разговорной речи, а в зоологии - лисица. Пожалуй, стоит всё-таки отбросить этот снобизм и книжку прочитать.
Кстати, эксперимент всё ещё продолжается, и лисицам этим вовсю секвенируют ДНК, получая интересные результаты (отбор, надо заметить, ведут в эксперименте по-разному: одних лисиц отбирают на дружелюбие, а есть ещё и агрессивная линия!). И да, продолжатели дела Беляева работают не только с лисицами, но и с американскими норками.
Может, между прочим, в каком-то смысле одомашнились - то есть, самоодомашнились - и два вида обезьян. Один - бонобо. Другой - человек! Просто сами отбирали друг дружку на пониженную агрессию, и стали мы больше похожи на обезьяньих детёнышей: и черты лица соответствующие, и характер (в норме) значительно добрее. Не исключено, что именно самоодомашнивание даже стимулировало эволюцию языка. А может быть, если почитать эту свежую статейку, ключ к очеловечиванию - это не отбор на пониженную агрессию, а эволюция самоконтроля.
Когда я сейчас пытаюсь (без особого успеха) приучить кенара к тому, что рука - это не страшно, а хорошо, даже когда из неё не торчит кусок салата - меня посещает любопытная мысль: что стало бы, если бы на доброту специально отбирали птиц? Минутка отсебятины: вероятно, они бы стали больше похожи на птенцов! Может, впрочем, за этот счёт летать бы разучились...
Тема, короче говоря, просторная для размышлений и исследований. Одно могу добавить (почти) от себя: часто говорят, что живность в городской среде тоже «одомашнивается», раз больше доверяет человеку. Непохоже - там совсем другие механизмы.
К вопросу о том, для чего у беляевских лисиц, которых отбирали на аберрантный признак, доброту, загнулись бубликами хвосты :-))) Да ни для чего - так получилось!
Попробую соединить известное стихотворение с цитатой нашего замечательного лектора:
«Послушайте!
Ведь, если у данного жучка 18 волосков на левой задней лапке,
значит - это кому-нибудь нужно?»
Шутки шутками, но примерно так мыслят панадаптационисты, кои, подозреваю, и по сей день где-то обитают. Беда в том, что в природе очень много всего такого, что никакого адаптивного смысла не несёт. Просто так получилось. Ну, или надо было заделать щели, как в соборе святого Марка. Как ещё прикажете поставить купол на четыре арки? Неизбежно образуются дырки, и их закрыли такими пазухами свода (так переводится spandrels). Художники их, конечно, расписывали так, чтобы сложилось впечатление, что ради этих пазух всё и строили :-)))
Самый известный, долгоиграющий и по сей день невероятно крутой эволюционный эксперимент. Вот такое я люблю. Кратенькие исследования - это, конечно, тоже хорошо, но когда много-много лет подряд... для людей без непереносимости алкоголя приведу аналогию: как вино, чем старее, тем ценнее! :-)))
Особенно замечательная вещь в этом эксперименте - «живая ископаемая летопись», которая позволяет переигрывать эволюцию! Эх, если б можно было такие же вещи в большем масштабе делать! На разных планетах, например, воспроизводить условия ранней Земли и смотреть, что получится... Фантазия эта биологам давно знакома, и существует два основных на неё взгляда. Одни считают, что жизнь на «новой Земле» разовьётся во что-то совершенно иное, другие - что получится плюс-минус то же самое. Я лично придерживаюсь позолочённой серединки: недавно выдранный зуб мудрости даю, что у многих обитателей «новой Земли» разовьются глаза, но не скажу, что обязательно появятся, скажем, млекопитающие :-)))
Казалось бы, если выращивать бактерий в самой простой питательной среде, где из съедобного одна глюкоза, накопление полезных мутаций и рост приспособленности должны были бы остановиться. Ага (точнее, Ara :-))), разбежались!
В среде был ещё и цитрат, по умолчанию бактериям недоступный. Но нет, закрепилось несколько подряд полезных мутаций, включился сначала синтез белка-транспортёра цитрата, а потом поступающий в клетку цитрат бактерии научились использовать. Обнаружили, что что-то такое бактерии «изобрели», когда в одной колбе в течение суточного цикла питательная среда стала гораздо дольше оставаться мутной (мутная среда = много бактерий) :-))) И тут как раз применили то самое переигрывание эволюции с помощью замороженных палочек, чтобы узнать, сколько раз и у каких клонов появится способность поглощать цитрат. Далеко не все пришли к этой цели (стоит напомнить, что вообще никакой цели нет и не было, так что сие лишь «телеологический жаргон»: цитирую, «бактерии понятия не имели, что движутся к замечательному эволюционному новшеству»).
Эксперимент всё продолжается: сейчас уже, говорят, 75 тысяч поколений! Стало даже интересно, как это далеко в пересчёте на человеческую эволюцию. Положим, что поколение у человека - это плюс-минус тридцать лет. Таким образом, 75 тысяч поколений - это эволюционный путь длиной в 2 миллиона 250 тысяч лет, то есть примерно от самых ранних Homo до нас. Представляете масштаб?!
Итак, приспособленность так и не выходит на плато - тихонько-тихонько, но продолжает расти. Чем больше полезных мутаций уже накопилось, тем меньше будет полезный эффект от новых («эпистаз убывающей доходности»), но всё-таки будет. И особливо у тех популяций, у которых появились аллели-мутаторы, повышающие темп мутагенеза. Вот только закрепляться в итоге будет лишь одна самая-самая полезная мутация, поскольку нет полового процесса. И горизонтального переноса генов как-то у этих подопытных палочек нет (или он происходит незаметно :-))). Как этого добились, честно говоря, откопать не удалось. Горизонтальный перенос генов - не такой процесс, который вообще застопорить нельзя, но всё равно это должно быть непросто.
Мутаторы нередко мешают бактериям, но больше мешают учёным: из-за мутаторов мутации появляются с такой скоростью, что отслеживать трудно...
И всё-таки, она вертится они закрепляются. Не то чтобы честно, но... это работает!
Как я часто люблю говорить, отбор - суть нерадивый студент, которому завтра сдавать курсовую. Вот только наспех сделанные курсовые могут почти сразу пойти на черновики, а вот хорошие могут выжить, дабы служить примером для новых поколений студиозусов :-)))
Вот и в эволюции жизни то же самое.
Поскольку одни страшущие свинки «поторопились» с перестройкой пальцев, доныне они не сохранились, и их место заняли другие, чуть посимпатичнее :-)))
И у бактерий нечто подобное происходит. Не всякий штамм, который быстро вырывается вперёд и давит всех конкурентов, оказывается устойчивым в долгосрочной перспективе, если совсем-совсем вкратце пересказывать эту работу об отборе второго порядка на способность эволюционировать (дольше произносить, чем «инадаптивная эволюция», но правильнее :-))) В названиях штаммов это зашифровано: EL - eventual losers, EW - eventual winners, проигравшие и победители соответственно («итоговые», если попытаться криво перевести слово eventual).
Александр Владимирович-то слушателей вообще чуть не лишил описания этой работки. Говорит, мол, «вот эту сложнятину опущу». Публика разочарованно завздыхала так выразительно, что пришлось всё-таки рассказывать :-)))
Ибо, как ляпнул Лесли Орджел, «эволюция умнее тебя»! Колба - среда вполне себе трёхмерная, так что там сам бог Дарвин велел развиваться сообществу из монокультуры: ведь в зависимости от глубины может меняться, как минимум, концентрация кислорода. И вполне кошерно одним бактериям научиться перерабатывать продукты жизнедеятельности других.
Минутка отсебятины. Интересно, что получилось бы, если бы бактерий выращивали не в такой вот трёхмерной среде, а какой-то такой двумерной плёнкой? Ну, не совсем двумерной - один слой всё-таки должен быть средой? Развились бы сообщества? Мне почему-то кажется, что всё равно бы развились... может быть, из-за каких-нибудь крохотулечных различий в температуре на краю плёнки и в середине, условно говоря!
Обращусь к правой стороне слайда (позаимствованной из этой щедро иллюстрированной статьи). Не столь удивительно то, что в двух озёрах параллельно эволюционировали рыбы, похожие по форме тела и, стало быть, экологии. Но вот то, что у схожих по форме рыб совпадает ещё и окраска - вот это, по-моему, любопытно! Механизмы формирования окраски у цихлид расшифровывают, но как-то на схожую окраску у рыб схожей формы нигде мне акцента не попалось. Единственный намёк - связь окраски с глубиной, на которой обитают рыбы, точнее - с количеством света, которое в их среду обитания проходит. То есть, ограничения на окраску может накладывать экологическая ниша. Может, всё так просто и объясняется. А может, всё сложнее!
Казалось бы, что бактерии, что дрожжи (которым запретили размножаться половым путём :-))) - одно и то же. Нет, конечно: дрожжи всё-таки эукариоты, и у них эпистаз более глобальный, нежели специфический. Глобальный - это когда полезность мутации зависит от общей приспособленности организма, а специфический - когда от генетического контекста (то есть, гены друг к дружке сильно притёрты).
Полезные мутации - вовсе не такая безумная редкость, как любят утверждать всякие противники эволюции (кстати, их аргументы обычно не эволюционируют со временем :-)))!
Но, опять же, судьба у множества полезных мутаций из-за бесполого размножения печальная: закрепится только абсолютный номер один, а всё остальное вымрет. Да и самой полезной на свете мутации нужно время, чтобы вырваться из-под власти дрейфа!
Надо заметить, что и у размножающихся половым путём организмов полезные мутации теряются из-за дрейфа. Нет в мире совершенства!
В том первом опыте дрожжам лишь единожды вводили комбинацию из 20 нуклеотидов, чтобы следить за судьбами клонов. В более новом исследовании штрихкоды вносили каждые 100 поколений, и потому получился более тонкий срез!
Особое внимание к красному клону на правой верхней картинке. Дрожжи этой линии прямо-таки должны были вымереть под давлением конкурентов... но одна маленькая, но гордая мутация вознесла приспособленность до небес, и красные вытеснили всех!
Стабилизирующий отбор, конечно, старается привести всё к среднему арифметическому - как там было у Окуджавы, «с умным хлопотно, с дураком плохо, нужно что-то среднее, да где ж его взять»... но не столь уж редкие полезные мутации вновь повышают разнообразие. Да, бывает, что красные вытесняют всех одним скачком, но можно биться об заклад, что при дальнейшей эволюции этой линии опять вернётся если не былое, то хоть какое-то разнообразие :-)))
Что до модели «богатеи богатеют» (вот так вольно переведу rich get richer :-))), мне почему-то вспомнилась аналогия другого уровня. Врановые потому и умные, что многочисленные и экологически гибкие, как-то так можно грубо упростить...
Читатель, вдумайся в эту басню, и тебе станет не по себе. Изоляция ведёт к усилению антагонистических отношений, а вот эволюция в поликультуре усиливает дружеские (даже, рискну вставить красивое слово, мутуалистические)!
Минутка отсебятины. Часто задумываюсь, почему же сейчас из всяких прокариот не развиваются новые эукариоты, хотя технически, наверное, могли бы. Видимо, если новый великий симбиоз и произойдёт, результат его загнётся под давлением и уже существующих эукариот, и прокариот. Ну, это моё личное предвзятое мнение.
Вирус бактерии не товарищ. Чем больше вирусы нападают на бактерии, тем более эффективной становится у тех защита, поэтому вирусам приходится «изобретать» новые средства нападения, бактериям потом - защиты... и т.д., и т.п. Только в полную силу это всё работает, если вирусы и бактерии друг с дружкой коэволюционируют. Если бактериям не давать эволюционировать, вирусы в итоге отстанут в эволюционной гонке вооружений.
А вот самый умилительный по временному масштабу и впечатляющий по результатам свежий эксперимент на десерт. Почти в буквальном смысле, ведь Streptococcus thermophilus - это очень даже популярная молочнокислая бактерия, с которой наверняка встречался почти каждый из нас с вами!
Четыре дня на эволюцию... всего-то навсего четыре дня! и кто-то ещё будет утверждать, что эволюцию невозможно отслеживать в реальном времени? (Горько усмехаюсь, ожидая комментарии :-)))
А бактерия не простая, а с системой CRISPR. Спейсер - суть кусочек ДНК вируса, который проник когда-то в бактериальную клетку, и который служит для того, чтобы от подобного вируса в будущем защищаться. Напоминает эукариотические антитела! Такой вот прокариотический иммунитет!
(Кстати, эукариоты, не забывайте о том, что грипп-то никуда не делся со всем этим коронавирусом и... ну, всякими разными другими вещами. Вакцинируйтесь!)
В варианте без вирусов картинка довольно унылая: два штамма вытеснили все остальные, причём в нескольких повторностях.
А вот с вирусами всё стало гораздо веселее: бактерии вооружились новыми спейсерами, а вирусы начали истово атаковать... самых успешных бактерий. Что логично - их-то много.
И снова богатеи богатеют: обычно эффективнее всех оборонялись - но и, таким образом, получали больше по своей бактериальной шапке - те штаммы, которые были успешнее всех и в контрольном опыте.
Пока рубятся «королевские династии» бактерий и вирусов, что приспособились бить именно королей, потихоньку эволюционируют менее заметные штаммы: в таких условиях редким быть выгодно. Чтобы всякий уважаемый читатель оценил всё это эволюционное веселье в полной мере, люто рекомендую полистать и оригинал, и обзор статьи на «Элементах».
Хотите больше, лучше и из уст замечательного лектора? Бегом в «Научку» через четверг (я надеюсь)!