Эволюцию удалось увидеть вживую: эксперимент, который длится уже 35 лет

Эволюция кажется процессом, который невозможно увидеть напрямую: слишком медленно и слишком масштабно она разворачивается. Принято считать, что для заметных изменений нужны тысячелетия или даже миллионы лет. Однако один научный проект доказал, что эволюцию можно наблюдать в реальном времени — если выбрать правильный объект и запастись терпением. Об этом сообщает издание "Планета Сегодня".

Эксперимент, который изменил взгляд на эволюцию

24 февраля 1988 года биолог Ричард Ленски запустил самый продолжительный лабораторный эксперимент по изучению эволюции — Long-Term Evolution Experiment (LTEE). В его основе лежит работа с бактериями Escherichia coli - непатогенным штаммом, идеально подходящим для таких исследований из-за высокой скорости размножения и способности к накоплению мутаций, затрагивающих структуру и организацию ДНК.

В начале эксперимента 12 колб были заселены генетически идентичными бактериями. Далее процесс стал строго рутинным: каждый день из каждой колбы отбирался 1% потомков, который переносили в свежий раствор с глюкозой. Там бактерии активно размножались до тех пор, пока не исчерпывался источник питания, после чего рост останавливался до следующего дня.

"Бактерии легко размножаются в 100 раз за несколько часов. Однако, как только они размножатся в 100 раз, глюкоза заканчивается. Затем клетки остаются в таком состоянии до следующего дня, когда мы снова переносим 1% каждой популяции в свежую среду. Бактерии размножаются бинарным делением: одна клетка растет и, увеличившись вдвое, делится, образуя две дочерние клетки; затем эти две дочерние клетки реплицируются, образуя четыре клетки; и так далее. Как выясняется, стократный рост соответствует примерно 6 и 2/3 удвоениям, или поколениям, каждый день", — объясняет Ричард Ленски.

"Путешествие во времени" для науки

Каждые 500 поколений часть бактерий, не используемых в текущем цикле, замораживали с добавлением криопротектора. Это позволило сохранять "слепки" эволюции и возвращаться к ним спустя годы. Такой подход дал исследователям уникальную возможность напрямую сравнивать современных бактерий с их далекими предками.

"Эти образцы позволяют совершать "путешествие во времени” научно значимым образом. Мы можем, например, напрямую сравнить нынешние бактерии LTEE с их предками. Мы даже можем сопоставить эволюционировавшие линии с их предками и тем самым количественно оценить результаты адаптации путем естественного отбора — того самого процесса, который, как понял Дарвин, "приспособляет” организмы к окружающей среде", — продолжил Ленски.

Что удалось выяснить за десятки тысяч поколений

Эксперимент позволил проверить фундаментальные вопросы эволюционной биологии. Всегда ли адаптация происходит постепенно? Есть ли предел приспособленности в неизменной среде? Развиваются ли идентичные популяции одинаково?

Наблюдения показали, что даже при стабильных условиях приспособленность бактерий продолжает расти, хотя темпы этого роста со временем замедляются. За первые 2000 поколений средняя приспособленность выросла примерно на 30%, причём рост шёл неравномерно — тремя крупными "шагами".

"Если посмотреть на динамику приспособленности одной популяции за первые 2000 поколений, мы увидим, что приспособленность увеличилась примерно на 30%. Рост, по-видимому, включает три отдельных этапа примерно по 10% каждый. Эта закономерность точно соответствует динамике, ожидаемой в большой, изначально однородной бесполой популяции", — объяснил Ленски.

Учёные также зафиксировали явление клональной интерференции, когда несколько полезных мутаций конкурируют между собой, и выживает та, что даёт наибольшее преимущество.

Гипермутаторы и пределы изменчивости

Интересным открытием стало то, что шесть из двенадцати линий со временем превратились в так называемых гипермутаторов — организмов с резко повышенной частотой мутаций. Причиной стали изменения в генах, отвечающих за восстановление ДНК, что перекликается с более общими механизмами адаптации, описанными в исследованиях эпигенетики и среды.

"Шесть из 12 популяций LTEE эволюционировали до так называемых "гипермутаторов” к 50 000 поколениям. Непосредственными причинами этих изменений являются мутации в генах, продукты которых участвуют в репарации ДНК или деградации молекул, вызывающих повреждение ДНК", — объясняет Ленски.

При этом даже у таких линий краткосрочные издержки оказались относительно небольшими, что позволило им продолжать эволюцию без катастрофических последствий.

Главное доказательство естественного отбора

Несмотря на огромное количество опубликованных работ и технических деталей, ключевой вывод эксперимента остаётся простым и наглядным: естественный отбор работает и может быть напрямую зафиксирован в лаборатории.

"Хотя никто (кроме чудаков, фанатиков и неосведомленных) не сомневается в том, что адаптация путем естественного отбора действительно происходит, модель LTEE представляет собой простое и убедительное доказательство ее силы и эффективности", — добавляет Ричард Ленски.

К 2024 году эксперимент превысил отметку в 80 тысяч поколений, а бактерии достигли рекордного уровня приспособленности. Завершать проект исследователи не планируют, превращая LTEE в уникальное живое свидетельство того, как работает эволюция.