Эволюционная гонка вооружений не терпит остановок
Различная стратегия защиты ведет к различному эволюционному отклику
В 70-х годах прошлого века Ли ван Вален (Leigh van Valen) обрисовал эволюционную гонку оружий. Он назвал это догадкой Тёмной Королевы. Сущность догадки в том, что виду нужно всегда совершенствовать собственные приспособительные показатели, подгоняя их к изменяющейся среде.
В случае если хищник обучился стремительнее догонять, то гипотетическая жертва вынуждена обучиться стремительнее удирать, в ответ на что хищник, дабы не остаться голодным, обязан еще поднажать, изобретая еще более действенные методы охоты, на что жертва, хотя остаться в живых, обязана отыскать еще более изощренные методы защиты. И без того до бесконечности.
Тот, кто первым не выдерживает в этом эволюционном соревновании, вымирает.
Пригодилось около десятка лет, пока эту догадку приняло научное сообщество. Позже еще дюжина, пока набралось достаточно полевых и экспериментальных данных, подтверждающих повсеместную и безостановочную эволюционную гонку оружий.
Эта догадка стала общепринятой и вошла если не в школьные программы, то в институтские уж совершенно верно. Экспериментальные работы на эту тему особенно актуальны в свете изучения разных паразитарных способов и отношений борьбы с ними.
Еще бы: стоит научному коллективу предложить действенный метод спасения от вредителя, как срочно начинается гонка оружий. И через непродолжительное время паразит, смотришь, уже приспособился, став невосприимчивым к новому препарату.
Дабы придумать, какие конкретно препараты будут действенны, необходимо разобраться в конкретных генетических механизмах гонки оружий. Таких работ до тех пор пока мало, и как раз они определяют следующий, более большой, уровень понимания этого наиболее значимого эволюционного процесса.
И — как следствие — изготовления новых средств «общения» с разнообразные вредоносными сожителями. У нас с ними собственная гонка оружий.
Одна из таких работ представлена командой экспертов из трех германских университетов: Университета имени Христиана Альбрехта (Киль),Тюбингенского университета и Гёттингенского университета имени Георга-Августа. Ученые трудились с нематодой Caenorhabditis elegans — любимым модельным объектом для разных эволюционных изучений.
Нематоду передавали особенной бактерией Bacillus thuringiensis, которую обширно применяют в качестве инсектицида в защите растений, а ее гены — в получении генетически-модифицированных растений, устойчивых к вредителям (рис. 1).
Эта бактерия, попав в кишечник нематоды либо насекомого, разрушает клетки пищеварительного тракта, и вредитель погибает (рис. 2).
Была поставлена задача смоделировать движение хозяина и приспособления паразита в условиях гонки оружий, а после этого сравнить с результатами одностороннего приспособления, в то время, когда эволюционировала лишь бактерия либо лишь нематода (необходимо осознавать, что в данной модели паразитом считалась бактерия, а хозяином — нематода, не смотря на то, что в действительности, с позиций агронома, паразит — это нематода, а бактерия — это спасительный биоагент). нематоды и Бактерии из промежуточных стадий приспособления замораживались, так что возможно было взглянуть, как протекал процесс адаптации.
А основное, возможно было отследить, какие конкретно гены изменялись на протяжении эволюционного опыта.
Сама эволюционная «арена» представляла собой полый прозрачный шарик с хорошо закрывающимися половинками (такие шарики именуют wormballs). В одной половинке помещалась питательная среда на агаре, и в том направлении сажали бактерий и нематод (смесь нескольких штаммов бактерий и нескольких линий нематод).
Покатые стены шарика не разрешали нематодам расползаться и так избегать заразных пятен.
В опыте «гонка оружий» определенное число (бактерий) и навеску нематод на новую среду каждые два-три дня. Само собой разумеется, пересаживали не просто так, а особым образом: бактерий снимали с погибших нематод, дабы обеспечивалось переселение вирулентных микробов (рис.
3). Нематод же выращивали из обеззараженных яиц, дабы не занести бактерий из прошлых поколений.
В модели односторонней эволюции применяли замороженный запас исходных бактерий и нематод.
В опыте, в то время, когда приспосабливались лишь нематоды, к каждой новой когорте нематод любой раз подсаживали исходных бактерий, забранных из замороженного запаса. И, наоборот, при односторонней эволюции паразита нематоды, забранные из замороженного начального запаса, заражались любой раз новыми микробами, снятыми с мертвых нематод.
В каждом варианте измеряли приспособленность хозяев и паразитов: она оценивались по числу погибших в течении 48 часов нематод. Необходимо подчернуть, что таковой экспериментальный протокол уже использовался и раньше и продемонстрировал себя в полной мере результативным.
Повторю, что основное отличие от прошлых работ — это анализ генетических трансформаций на протяжении адаптаций. Ну и прекрасно продуманные контроли.
На протяжении опыта в течение трех месяцев два раза в неделю эксперты готовили новую среду, копались с обеззараживанием и выделением яиц, выращивали из них личинок для подсадки в прозрачные шары, выделяли и инкубировали бактериальные массивы на жидких средах, замораживали каждую хозяев и экспериментальную когорту паразитов, подсчитывали относительное число погибших нематод. Было сделано по 10 повторов для трех опытов и двух контролей (линия нематод без бактерий и линия бактерий без нематод).
Вся эта трудоемкая работа шла безостановочно — раз уж опыт начался, то забрать передышку уже никак запрещено. В то время, когда опыт закончился, за дело взялись зоологи и генетики: им необходимо было оценить резистентность нематод и инфекционную силу бактерий из всех когорт, выяснить количество трансформаций в геноме в трех экспериментальных линиях если сравнивать с контролями и попытаться установить функциональную сторону этих трансформаций.
В полной мере ожидаемо, что при паразита и совместной эволюции хозяина выживаемость (резистентность) нематод в конечном счете была выше, чем при односторонней эволюции либо в контроле без бактерий (рис. 4).
Это говорит о том, что гонка оружий активизирует адаптации, делая их значительно более действенными. Жизнь практически приговаривает организмы к адаптивному успеху.
А что же паразиты? Участие в гонке оружий увеличивает их «убойную силу» если сравнивать с контрольной линией бактерий.
Но и при односторонней эволюции их смертоносность оказывается приблизительно на том же уровне, что и в гонке оружий.
А также еще увлекательнее — при односторонней эволюции появляются линии, каковые по большому счету теряют вирулентность. Но вместо этого они покупают свойство вырабатывать колонии и биопленки, каковые оказывают помощь бактериям выживать на бедной питательной среде.
Похоже, у бактерий имеется множество адаптивных выходов: они смогут и увеличивать инфекционность, и по большому счету от нее отказываться. Отказываются они от инфекционного пути при высокой зараженности нематод.
Это ученые доказали, подсчитав инфекционную нагрузку (число бактериальных клеток) в среднем на нематоду. Если она была высокой, то в линии развивались неинфекционные штаммы, предпочитающие колониальное существование. И это можно понять.
Так как изготовление токсинов — это очень затратное предприятие. В бактериальных частицах кристаллы токсичных белков Cry составляют 20—30% сухого веса.
Так что на их производство уходит внушительная часть клеточных запасов. По всей видимости, при высокой зараженности экономнее было свернуть на другой путь питания.
В линиях бактерий, участвовавших в гонке оружий, из пяти изначально перемешанных штаммов постоянно оставался лишь один. Все остальные штаммы через 2,5 месяца опыта исчезали.
Оставшийся штамм отличался кроме другого двумя генами, кодирующими «нематодные» токсины Cry. Трансформации в генах cry и сопутствующих участках геномов стали причиной повышению числа копий генов токсинов и к повышению концентрации самих токсинов.
Но данный эффект проявился лишь в условиях гонки оружий, а в условиях односторонней эволюции бактерий таких трансформаций не было. В случае если хозяин пассивен, то и патоген может отказаться от своих инфекционных «амбиций».
Он может позволить себе поддерживать генетическое разнообразие, при котором сосуществуют и высоковирулентные, и низковирулентные линии.
В каких случаях оправдана пассивная позиция, а в каких необходимо стараться обогнать паразита? Дабы это осознать, нужно расшифровать остальные генетические трансформации в трансформированных геномах паразитов (распознано примерно сто поменянных участков, большая часть из них с малоизвестными функциями), соответственно, необходимы предстоящие генетические изучения линий нематод, прошедших через эволюционные опыты.
Это продолжительная и затратная работа. Но разбираться придется.
В противном случае никак не выработать действенную стратегию защиты (либо лучше — сотрудничества) с другими обитателями планеты.
Рис. 1. Бактерии Bacillus thuringiensis. Их споры включают кристаллы белков Cry, токсичных для насекомых и нематод.
Потому эти бактерии активно применяются как средство биоконтроля в растениеводстве. Фото с сайта microbewiki.kenyon.edu / elementy.ru
Рис. 2. А — нематода, которая поедала нейтрализованных бактерий Bacillus thuringiensis, остается здоровой (вверху — неспециализированный вид, внизу — участок тела нематоды).
В — в норме эта бактерия разрушает нематоду изнутри, растворяя клетки (вверху — погибшие нематоды, внизу — участок тела с растворенными внутренними органами, бактерии прекрасно видны). Изображение с сайта microbewiki.kenyon.edu / elementy.ru
Рис. 3. Схематичное изображение опыта. Красный цвет — гонка оружий: приспосабливаются и бактерии, и нематоды. светло синий цвет — односторонняя эволюция хозяев, при которой приспосабливаются лишь нематоды, а источником бактерий помогает замороженный исходный запас.
эволюция паразита — и Зелёный цвет, в то время, когда приспосабливаются лишь бактерии, подсаживаемые к исходному комплекту (смесь из нескольких линий) нематод. Серый цвет — контрольный запас бактерий и нематод. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLOS Biology / elementy.ru
Рис. 4. Результаты экспериментальной эволюции в условиях гонки оружий (красные линии), односторонней эволюции нематод (светло синий линии) и односторонней эволюции бактерий (зеленые линии).Левый график — выживаемость нематод, центральный — часть незаразных бактерий в когорте (extinct — бактерии, каковые были не могут к заражению и «вымерли» в экспериментальных чашках Петри), правый — смертность (число летальных финалов нематод) соответствующей бактериальной когорты.
Серый цвет — контроль. Графики из обсуждаемой статьи в PLOS Biology / elementy.ru
Источник: Leila Masri et al. Host–Pathogen Coevolution: The Selective Advantage of Bacillus thuringiensis Virulence and Its Cry Toxin Genes — PLOS Biology / Е. Наймарк, elementy.ru/news/432502
На заставке фото с сайта vitok-ra.ru
