Нo этoт эффeкт прoявился тoлькo в услoвияx гoнки вooружeний, a в услoвияx oднoстoрoннeй эвoлюции бaктeрий тaкиx измeнeний нe былo. Пoвтoрю, чтo глaвнoe oтличиe oт прeдыдущиx рaбoт — этo aнaлиз гeнeтичeскиx измeнeний в xoдe aдaптaций. Этa бaктeрия, пoпaв в кишeчник нeмaтoды или нaсeкoмoгo, рaзрушaeт клeтки пищeвaритeльнoгo трaктa, и врeдитeль умирaeт (рис. 2). В — в нoрмe этa бaктeрия рaзрушaeт нематоду изнутри, растворяя клетки (вверху — умершие нематоды, внизу — участок тела с растворенными внутренними органами, бактерии хорошо видны). Изображение с сайта microbewiki.kenyon.edu
Была поставлена задача смоделировать ход приспособления паразита и хозяина в условиях гонки вооружений, а затем сравнить с результатами одностороннего приспособления, когда эволюционировала только бактерия или только нематода. Зато вместо этого они приобретают способность формировать колонии и биопленки, которые помогают бактериям выживать на бедной питательной среде. И, напротив, при односторонней эволюции паразита нематоды, взятые из замороженного начального запаса, заражались каждый раз новыми микробами, снятыми с мертвых нематод. Левый график — выживаемость нематод, центральный — доля незаразных бактерий в когорте (extinct — бактерии, которые оказались не способны к заражению и «вымерли» в экспериментальных чашках Петри), правый — смертность (число летальных исходов нематод) соответствующей бактериальной когорты. Видимо, в случае высокой зараженности экономнее было свернуть на другой путь питания. А — нематода, которая поедала обезвреженных бактерий Bacillus thuringiensis, остается здоровой (вверху — общий вид, внизу — участок тела нематоды). 4. Еще бы: стоит научному коллективу предложить эффективный способ избавления от вредителя, как немедленно начинается гонка вооружений. Красный цвет — гонка вооружений: приспосабливаются и бактерии, и нематоды. Отказываются они от инфекционного пути при высокой зараженности нематод. Рис. Ну и хорошо продуманные контроли. Это показывает, что гонка вооружений ускоряет адаптации, делая их существенно более эффективными. Все это важно учитывать при планировании стратегии инсектицидной защиты. Иначе никак не выработать эффективную стратегию защиты (или лучше — взаимодействия) с другими жителями планеты. Результаты экспериментальной эволюции в условиях гонки вооружений (красные линии), односторонней эволюции нематод (синие линии) и односторонней эволюции бактерий (зеленые линии). Оставшийся штамм отличался помимо прочего двумя генами, кодирующими «нематодные» токсины Cry. Рисунок из обсуждаемой статьи в PLOS Biology
В ходе эксперимента в течение трех месяцев два раза в неделю специалисты готовили новую среду, возились с выделением и обеззараживанием яиц, выращивали из них личинок для подсадки в прозрачные шары, выделяли и инкубировали бактериальные массивы на жидких средах, замораживали каждую экспериментальную когорту паразитов и хозяев, подсчитывали относительное число умерших нематод. А главное, можно было отследить, какие гены изменялись в ходе эволюционного эксперимента. Серый цвет — контроль. Вполне ожидаемо, что при совместной эволюции хозяина и паразита выживаемость (резистентность) нематод в конечном итоге оказалась выше, чем при односторонней эволюции или в контроле без бактерий (рис. 4). В каждом варианте измеряли приспособленность паразитов и хозяев: она оценивались по числу умерших в течение двух суток нематод. И это можно понять. В линиях бактерий, участвовавших в гонке вооружений, из пяти изначально перемешанных штаммов всегда оставался только один. В модели односторонней эволюции использовался замороженный запас исходных нематод и бактерий. Изменения в генах cry и сопутствующих участках геномов привели к увеличению числа копий генов токсинов и, соответственно, к увеличению концентрации самих токсинов. Последнее определяет практическую актуальность работы. Потом еще десяток, пока набралось достаточно полевых и экспериментальных данных, подтверждающих повсеместную и безостановочную эволюционную гонку вооружений (см., например, новости Современные паразиты опаснее прошлых и будущих, «Элементы», 12.12.2007 и Разнообразие тропических насекомых поддерживается благодаря узкой специализации паразитов, «Элементы», 18.03.2014). Ученые работали с нематодой Caenorhabditis elegans — излюбленным модельным объектом для различных эволюционных исследований. В бактериальных частицах кристаллы токсичных белков Cry составляют 20–30% сухого веса. Понадобилось около десятка лет, пока эту гипотезу приняло научное сообщество. Схематичное изображение эксперимента. Чтобы придумать, какие препараты будут действенны, нужно разобраться в конкретных генетических механизмах гонки вооружений. Тот, кто первым не выдерживает в этом эволюционном соревновании, вымирает. Вся эта трудоемкая работа шла без остановки — раз уж эксперимент начался, то взять передышку уже никак нельзя. В эксперименте, когда приспосабливались только нематоды, к каждой новой когорте нематод каждый раз подсаживали исходных бактерий, взятых из замороженного запаса. Конечно, пересаживали не просто так, а специальным образом: бактерий снимали с умерших нематод, чтобы обеспечивалось переселение вирулентных микробов (рис. 3). Это долгая и затратная работа. Но и при односторонней эволюции их смертоносность оказывается примерно на том же уровне, что и в гонке вооружений. В 70-х годах прошлого века Ли ван Вален (Leigh van Valen) описал эволюционную гонку вооружений. Это ученые доказали, подсчитав инфекционную нагрузку (число бактериальных клеток) в среднем на нематоду. Одна из таких работ представлена командой специалистов из трех германских университетов: Университета имени Христиана Альбрехта (Киль), Тюбингенского университета и Гёттингенского университета имени Георга-Августа. Участие в гонке вооружений увеличивает их «убойную силу» по сравнению с контрольной линией бактерий. Покатые стенки шарика не позволяли нематодам расползаться и таким образом избегать заразных пятен. В каких случаях оправдана пассивная позиция, а в каких нужно стараться обогнать паразита? Рис. Сама эволюционная «арена» представляла собой полый прозрачный шарик с плотно закрывающимися половинками (такие шарики называют wormballs). И даже еще интереснее — при односторонней эволюции появляются линии, которые вообще теряют вирулентность. Жизнь буквально приговаривает организмы к адаптивному успеху. Елена Наймарк
Комментарии (2) Все остальные штаммы через 2,5 месяца эксперимента исчезали. И через непродолжительное время паразит, глядишь, уже приспособился, став невосприимчивым к новому препарату. Эксперимент показал, что в условиях приспособления нематод к инсектицидам важно, чтобы гонка вооружений не останавливалась. В эксперименте «гонка вооружений» определенное число (навеску) нематод и бактерий просто пересаживали на новую среду каждые два-три дня. Таких работ пока немного, и именно они определяют следующий, более высокий, уровень понимания этого важнейшего эволюционного процесса. 2. Суть гипотезы в том, что виду необходимо постоянно совершенствовать свои приспособительные признаки, подгоняя их к меняющейся среде. И — как следствие — изготовления новых средств «общения» с разного рода вредоносными сожителями. Если хозяин перестает защищаться, то бактерии начинают производить все больше неинфекционных штаммов. Рис. Нематод же выращивали из обеззараженных яиц, чтобы не занести бактерий из прошлых поколений. Тогда бактерии будут избавляться от неэффективных линий, оставляя на передовой лишь наиболее инфекционные, несущие наибольшее число копий генов токсинов. Так что на их производство уходит внушительная часть клеточных запасов. Синий цвет — одностороняя эволюция хозяев, при которой приспосабливаются только нематоды, а источником бактерий служит замороженный исходный запас. 3.