В лабораторных условиях эволюция идет совсем не так, как в природе

На протяжении тысячелетий люди неосознанно экспериментировали с эволюцией, одомашнивая растения и животных. В конце XIX века Уильям Даллинджер провел первые лабораторные эксперименты, и с тех пор ученые стремились как можно точнее воссоздать эволюционные процессы в искусственных условиях. Такие эксперименты обычно заключаются в воздействии на организм некоторых четко определенных факторов (токсинов, экстремальных температур, недостатка питательных веществ) и дальнейшем изучении того, как организмы приспосабливаются к новым условиям.

Хотя подобные эксперименты и позволили получить фундаментальное представление об эволюционных процессах, таких как адаптация, естественный отбор и мутация, в природе эволюция происходит в гораздо более сложных условиях. Теперь международная команда ученых показала, как лабораторная эволюция отличается от естественной. В экспериментальных условиях адаптации развиваются в ответ на простые и сильные воздействия, и часто они обеспечиваются мутациями, которые крайне маловероятны в природе. Результаты исследований опубликованы в журнале Genome Biology and Evolution.

Ученые исследовали два гена, кодирующих фермент РНК-полимеразу бактерии E. coli. Авторы выявили адаптивные мутации, изменяющие положения 140 аминокислот в белке в ответ на 12 различных условий. При этом в положении мутаций было очень мало совпадений: только четыре из 140 развились более чем при одном экспериментальном условии, остальные же были уникальны.

Сравнивая эти сайты с остальными белковыми последовательностями E. coli, ученые обнаружили, что мутации в лабораторных условиях происходили на высококонсервативных участках, которые медленно эволюционируют в естественной среде и остаются похожими даже у разных видов. Кроме того, оказалось, что мутации, полученные в лабораторных условиях, имели тенденцию попадать в определенные функциональные домены белка и группироваться рядом друг с другом.

Чтобы понять, характерно ли это для других белков, исследователи изучили 19 ферментов, содержащих адаптивные мутации, связанные с истощением ресурсов и воздействием антибиотиков. Как и в случае с РНК-полимеразой, сайты, связанные с лабораторными мутациями, оказались достаточно консервативны. Однако такая же закономерность не наблюдалась при воздействии высоких температур.

Таким образом, динамика лабораторной эволюции сильно отличается от естественной. Это связано с тем, что в экспериментах организмы подвергаются относительно простому, сильному и постоянному избирательному давлению. Действие факторов в естественных условиях гораздо сложнее, а кроме того, оно меняется со временем. Адаптации, которые так легко возникают в эксперименте, вряд ли произойдут в природе, а если такое и случится, их частота может быстро измениться после того, как поменяются условия.