За звание главного механизма эволюции бактерий борются двое: постепенное накопление незаметных мутаций и разовые адаптации (мутации возникают по одной и сразу влияют на жизнь особи). Немецкие ученые, восстановив генеалогию попавшей к ним в руки кишечной палочки, выяснили, что в историческом отношении разовые адаптации побеждают со счетом 3323:0, а помогает им в этом списывание — горизонтальный перенос генов.
Бактерии умеют «списывать» гены друг у друга — это называют горизонтальным переносом генов. Они выбрасывают в окружающую среду кусочки своей ДНК, «подбирают» те, которыми с ними делятся соседи, или забирают себе гены умерших рядом. Позаимствовать у соседа обычно получается только маленькие кусочки ДНК, не больше 30 тысяч пар нуклеотидов, — большие просто не пролезают в отверстия в мембране.
Кроме того, успешно приживаются после переноса только гены, нужные им прямо сейчас, то есть те, что не будут сидеть в геноме мертвым грузом, а будут исполнять конкретную полезную функцию уже в этой жизни. Вероятно, это связано с тем, что бактерии стремятся скорее укоротить свой геном, чем расширить, и среди мутаций преобладают делеции (потери генов). Так или иначе, ненужной информации в их ДНК практически нет.
Бактерии используют как модель эволюции обмена веществ, так как его свойства очень легко проверить.
Достаточно просто лишить бактерий основного источника пищи, заменить его на другой — и ждать, пока они проэволюционируют и научатся его использовать. Таких экспериментов было уже множество, однако неизвестно, какие именно механизмы помогают бактериям эволюционировать. Иными словами, из-за чего именно в какой-то момент одна бактерия становится настолько непохожей на своего предка, чтобы можно было выделить ее в отдельную линию.
Один из возможных ответов на этот вопрос дает теория нейтральной эволюции, согласно которой изменения накапливаются постепенно. Сначала возникает одна мутация или новый ген, «незаметные» снаружи и не влияющие на выживаемость особи (нейтральные), потом другая, они передаются по наследству, и рано или поздно возникает новый биохимический путь, который позволяет организму выжить в непривычных условиях и потому эволюционно преуспеть. Но если бы эта теория была верна, в бактериальной ДНК можно было бы найти ненужные гены — основу для будущих путей. Но их там нет.
Второй вариант ответа такой: эволюция движима разовыми адаптациями к меняющимся условиям.
Иными словами, каждый «списанный» ген сразу дает бактерии новую — и нужную! — способность, и уже потом из таких генов может сложиться или не сложиться новый путь обмена веществ. В пользу этой теории говорит то, что большинство генов бактерий отвечают за один конкретный процесс и горизонтально они передаются не блоками, а по одному за раз.
Немецкие ученые подсчитали, как соотносятся вклады двух этих механизмов в эволюцию кишечной палочки E. coli. Так как бактерии эволюционируют крайне быстро, то даже за время исследования в одной лаборатории возникают разные линии кишечной палочки, отличающиеся друг от друга. В своей работе ученые исследовали одну из таких линий и 52 поколения ее предков. Они изучили их геномы, оценили, какие гены у них есть, и прогнали их через математический алгоритм анализа метаболических потоков, чтобы оценить, в какой среде они могли бы выжить. Как и ожидалось, генетически близкие линии предпочитали схожие среды для жизни.
Небольшие отличия в последовательности нуклеотидов не влияли на их обмен веществ, но было достаточно лишь одного нового гена, чтобы он изменился.
По данным ученых, перенос единичных генов в истории изучаемой линии E. coli произошел 3323 раза. В 1998 случаях это привело к новым метаболическим способностям и еще в 1325 — к усилению роста. Таким образом, в масштабах эволюции нейтральные мутации отступают на второй план, а вот масштабы «генетического списывания» нам еще предстоит оценить.
Читайте также: 4 звездных гермофоба.
