Эволюция в монокультуре не похожа на эволюцию в сообществе

Эволюция в монокультуре не похожа на эволюцию в сообществе

Мы рассмотрели лишь малую часть эволюционных экспериментов, проведенных биологами в последние годы. Экспериментальное изучение эволюции сегодня продвигается семимильными шагами. В этой молодой области то, что уже сделано, — сущий пустяк по сравнению с тем, что еще предстоит сделать.

В большинстве экспериментов изучалась эволюция либо искусственных молекулярных систем, либо изолированных видов (таких опытов поставлено больше всего), либо пары взаимосвязанных видов (например, паразита и хозяина). Между тем прекрасно известно, что межвидовые взаимоотношения, коэволюция, приспособление видов друг к другу играют в развитии живейшую роль. Трудно придумать пример «чисто абиотического» фактора, на который не влияли бы (прямо или косвенно) живые организмы[60].

Присутствие других видов может повлиять на судьбу эволюционирующей популяции множеством способов. Например, из-за наличия конкурентов популяции может достаться меньше ресурсов, в результате ее численность будет ниже, поэтому придется дольше ждать появления редких полезных мутаций, усилится генетический дрейф и в целом адаптация будет идти медленнее. Или на первый план может выйти не индивидуальный, а межвидовой отбор: виды, лучше адаптированные к среде, просто-напросто вытеснят конкурентов, причем серьезные изменения в генофондах могут даже не успеть произойти. Или популяции будут искать компромисс между приспособлением к абиотическим факторам и друг к другу: в этом случае монокультуры, которым не нужно идти на такие компромиссы, должны лучше приспособиться к неживой среде, чем члены сообщества. Наконец, популяции могут научиться извлекать пользу из присутствия других видов и даже наладить с ними взаимовыгодное сотрудничество, что должно пойти на пользу сообществу как целому.

В 2012 году биологи из Имперского колледжа Лондона предприняли одну из первых попыток сравнить эволюцию микробов в монокультурах и смешанном сообществе (Lawrence et al., 2012). Авторы работали с пятью видами бактерий, совместно встречающихся в лужах у корней буков и в дуплах. Эти бактерии на искусственной среде образуют колонии разного цвета и формы. Судя по нуклеотидным последовательностям гена 16S-рРНК (этот ген чаще всего используют для классификации бактерий), подопытные микробы относятся к пяти разным семействам, хотя их видовую принадлежность авторы не установили и просто обозначили буквами: A, B, C, D и E[61]. Все пять видов — аэробные гетеротрофы, т. е. потребители готовой органики, разлагающие ее с использованием кислорода.

Бактерий из природных местообитаний выращивали в лаборатории либо по отдельности, в монокультурах, либо вместе, в смешанной культуре. Кормили микробов «буковым чаем» — экстрактом буковых листьев. Понятно, что склянки с буковым чаем в лаборатории и естественные лужи в корнях буков — не одно и то же. Изменение условий при перемещении из естественной среды в искусственную должно было подстегнуть эволюцию подопытных бактерий. Бактерии эволюционировали в буковом чае в течение восьми недель, что соответствует 70 поколениям.

Эволюция в монокультурах привела к следующим результатам. Один из видов (E) не смог приспособиться к жизни в буковом чае, его численность стала быстро снижаться, поэтому его исключили из анализа. Вид A размножался в чае в начале и конце эксперимента с одинаковой скоростью, т. е. его приспособленность не изменилась. Виды B, C и D успешно адаптировались к искусственной среде и к концу эксперимента стали размножаться в чае быстрее, чем в начале.

Судьба микробов, эволюционировавших в смешанной культуре, оказалась иной. Виды A, B и C разучились жить в одиночку: к концу эксперимента они почти не могли размножаться без других бактерий. Их приспособленность к одинокой жизни в искусственной среде резко снизилась по сравнению с дикими предками. Этот результат соответствует предположению о «компромиссе» между адаптацией к биотической и абиотической среде. Впрочем, вид D, эволюционируя в смешанной культуре, приспособился не только к совместному, но и к одиночному существованию — даже лучше, чем тот же вид, эволюционировавший в монокультуре.

Чтобы расшифровать экологические связи между подопытными штаммами, авторы использовали такой прием: они выращивали в чае один штамм, затем фильтровали и стерилизовали чай, после чего пытались вырастить в нем других бактерий. Если второй штамм рос в неиспользованном чае лучше, чем в использованном, из этого делался вывод, что первый штамм изменил среду неблагоприятным для второго образом (например, использовал часть ресурсов, необходимых второму штамму). Если же второй штамм в использованном чае рос лучше, чем в свежем, это был сигнал адаптации второго штамма к первому (возможно, второй штамм научился использовать продукты жизнедеятельности первого).

Оказалось, что взаимоотношения между предковыми (дикими) штаммами в основном антагонистические — они конкурируют друг с другом за ресурсы (см. рисунок ниже: на левой верхней диаграмме преобладают черные стрелки, соответствующие негативному влиянию бактерий друг на друга). Один лишь вид D не страдает от присутствия других бактерий, хотя сам он угнетает их рост. Возможно, это значит, что вид D использует более широкий спектр ресурсов, чем остальные виды.

Эволюция в монокультурах усилила взаимную нетерпимость бактерий (правая верхняя диаграмма на рисунке). Теперь уже и вид D стал расти хуже в использованном чае, чем в свежем. Это значит, что в монокультурах бактерии эволюционировали конвергентно, их экологические предпочтения сблизились, т. е. они стали в большей мере использовать одни и те же ресурсы.

Эволюция в смешанной культуре привела к противоположному результату: в отношениях бактерий стало меньше антагонизма и больше кооперации. В большинстве случаев отрицательное влияние сменилось на положительное (нижняя диаграмма на рисунке: многие стрелочки из черных стали серыми). Более того, виды B и C стали быстрее размножаться в использованном чае, чем в свежем. Это значит, что микробы адаптировались к совместной жизни, научившись использовать продукты жизнедеятельности друг друга.

Анализ химического состава среды подтвердил, что эволюция в монокультурах привела к сближению спектров потребляемых ресурсов у подопытных бактерий, тогда как эволюция в смешанной культуре, напротив, способствовала расхождению этих спектров, т. е. развела виды по разным нишам, что привело к ослаблению конкуренции.

Взаимовлияние четырех видов бактерий (A, B, C, D). Черные стрелки — отрицательное влияние (вид, на который указывает стрелка, лучше растет в неиспользованной среде, чем в той, где раньше жил другой вид), серые — положительное (вид, на который указывает стрелка, быстрее размножается в среде, где есть продукты жизнедеятельности другого вида). Чем толще стрелка, тем сильнее эффект. Предки — предковые штаммы, взятые из природных местообитаний; монокультура — штаммы, эволюционировавшие в монокультуре; поликультура — штаммы, эволюционировавшие в смешанной культуре. Из Lawrence et al., 2012.

В смешанной культуре произошло в целом больше эволюционных изменений, чем в монокультурах. В частности, бактерии A в смешанной культуре к концу эксперимента стали производить вдвое больше ацетата и выделять формиат вместо того, чтобы поглощать его, как делал предковый штамм данного вида. Вид B стал использовать вдвое больше холина, формиата и лактата, а также начал потреблять сукцинат вместо того, чтобы выделять его. Вид C, в диком состоянии выделявший ацетат, начал его поглощать. Вид D, исходно потреблявший лактат и выделявший ацетат, стал, наоборот, первое вещество выделять, а второе — поглощать. Эти изменения согласуются с гипотезой о том, что бактерии в смешанных культурах научились использовать продукты жизнедеятельности друг друга: то, что одни виды стали усиленно производить, другие стали усиленно потреблять.

Напоследок авторы измерили продуктивность (ее определяли по скорости производства CO2) смешанных сообществ, составленных из четырех видов бактерий, эволюционировавших по отдельности или вместе. Во втором случае продуктивность сообщества оказалась выше. Таким образом, приспособление бактерий друг к другу пошло на пользу сообществу как целому: сообща микробы стали эффективнее разлагать органику, присутствующую в буковом настое (в главе 6 мы вернемся к вопросу о влиянии дивергенции видов на свойства экосистем).

Итак, межвидовые взаимодействия сильно влияют на эволюцию. Одно и то же изменение среды приводит один и тот же исходный вид к разным эволюционным результатам в зависимости от того, есть ли поблизости другие виды. Никто в этом, собственно, и не сомневался! Но столь наглядно продемонстрировать этот эффект в эксперименте удалось впервые.

Кроме того, исследование показало, что межвидовые взаимодействия могут ускорять эволюцию: в смешанных культурах подопытные виды изменились сильнее, чем в монокультурах. В соответствии с теоретическими ожиданиями жизнь в сообществе способствует «разделению труда», т. е. разводит виды по разным нишам: отбор поддерживает мутации, помогающие ослабить конкуренцию за ресурсы. Кроме того, виды начинают использовать вещества, выделяемые другими видами. Это соответствует представлениям о том, что эволюционирующие виды могут создавать новые ниши друг для друга (см. главу 6). Напротив, эволюция в условиях изоляции создает предпосылки для сближения экологических предпочтений: в отсутствие видов-конкурентов эволюционирующие микробы попытаются занять одни и те же удобные места в «экологическом пространстве». Как тут не вспомнить многочисленные примеры параллельной эволюции на островах (некоторые из них мы рассмотрели в книге «Рождение сложности»).

Разумеется, бактериальное сообщество, использованное в исследовании, намного проще природных сообществ. В одном древесном дупле, скорее всего, живут тысячи видов микробов, и происходящие там эволюционные процессы могут быть гораздо сложнее воспроизведенных в эксперименте. И все же по сравнению с классическими опытами на отдельных видах данная работа представляет собой важный шаг вперед.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Похожие главы из других книг

6.4. Эволюция Кундалини

Из книги Пранаяма. Сознательный способ дыхания. автора Гупта Ранджит Сен

6.4. Эволюция Кундалини Период эволюции восходит к раннему периоду – 500 г. н. э., времени, когда появились тантризм и шактизм. Изложение философии тантры может быть найдено также в Ведах, древнейшей священной книге (1500 до н. э.) индо-арийской философии. Тантризм – это


Никак не могу понять, о каких это человеческих инстинктах вы говорите? Разве я похожа на муху, тупо бьющуюся в стекло?

Из книги ЧАВО автора Протопопов Анатолий

Никак не могу понять, о каких это человеческих инстинктах вы говорите? Разве я похожа на муху, тупо бьющуюся в стекло? Похоже, что сущность вашего непонимания – в существенно разном смысле (по научному – в семантике) слова «инстинкт», принимаемого вами и нами. Наверное, в


1.4. Эволюция

Из книги Новая наука о жизни автора Шелдрейк Руперт

1.4. Эволюция Задолго до того, как была задумана менделевская генетика,[25] многие отчетливо выделенные виды и породы домашних животных и растений были выведены путем селективного разведения (скрещивания). Нет причин сомневаться в том, что аналогичное развитие рас и видов


Новый взгляд на эволюцию. «Генетическая инженерия» в природных экосистемах

Из книги Кризис аграрной цивилизации и генетически модифицированные организмы автора Глазко Валерий Иванович

Новый взгляд на эволюцию. «Генетическая инженерия» в природных экосистемах Следует подчеркнуть принципиально важное обстоятельство: одно из важных положений современной генетики состоит в открытии способности наследственной системы к «естественной генетической


НАПРАВЛЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Из книги Эволюция автора Дженкинс Мортон

НАПРАВЛЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ Против теории эволюции Дарвина было выдвинуто несколько возражений, в том числе и то, что концепция изменчивости признаков и естественного отбора не объясняет, почему некоторые организмы эволюционировали в определенном направлении, как если бы их


ПОСТЕПЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Из книги Естественные технологии биологических систем автора Уголев Александр Михайлович

ПОСТЕПЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ Спор о том, происходит ли эволюция непрерывно и постепенно или же она идет эпизодическими скачками, уходит корнями еще в начало 1940 годов. Тогда Эрнст Майр предположил, что некоторые современные роды птиц эволюционировали очень быстро, каждый как


1.4. Физиологическая эволюция

Из книги Расы. Народы. Интеллект [Кто умнее] автора Линн Ричард

1.4. Физиологическая эволюция В нашей стране Л.А. Орбели были сделаны попытки, развитые А.Г. Гинецинским, Е.М. Крепсом и другими учеными, на основе частных концепций эволюции функций (например, таких, как кровообращение, дыхание, пищеварение, выделение и др.) сформулировать


1. Эволюция рас

Из книги Почему мы любим [Природа и химия романтической любви] автора Фишер Хелен

1. Эволюция рас Общепризнанным в теории эволюции рас является то, что человек эволюционировал от человекообразных обезьян в Африке южнее Сахары в течение последних четырех миллионов лет или около того. За это время последовательность видов, известных под собирательным


Эволюция развода

Из книги Рождение сложности [Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы] автора Марков Александр Владимирович

Эволюция развода Однако, на мой взгляд, пары, которые создавали наши древние предки, вовсе не обязательно оставались вместе всю жизнь. Везде, где людям дозволено разводиться и они могут позволить себе это с финансовой точки зрения, многие пользуются этим правом. Если


Что заставляет эволюцию повторяться?

Из книги Эволюция человека. Книга 2. Обезьяны, нейроны и душа автора Марков Александр Владимирович

Что заставляет эволюцию повторяться? Для начала отметим первое, что бросается в глаза. Сходство параллельно развивающихся групп обычно тем больше, чем ближе их родство. Очень далекие друг от друга группы могут выработать лишь самое поверхностное сходство (например, рыбы


Эффект Болдуина: обучение направляет эволюцию

Из книги Биология. Общая биология. 11 класс. Базовый уровень автора Сивоглазов Владислав Иванович

Эффект Болдуина: обучение направляет эволюцию Взаимоотношения между генами и поведением вовсе не исчерпываются однонаправленным влиянием первых на второе. Поведение тоже может влиять на гены, причем это влияние прослеживается как в эволюционном масштабе времени, так и


19. Эволюция человека

Из книги Антропология и концепции биологии автора Курчанов Николай Анатольевич

19. Эволюция человека Вспомните!Перечислите основные факторы эволюции человека. Какие из них являются общими для эволюции всех живых организмов?Изучение эволюции человека главным образом основано на исследовании ископаемых остатков.Предшественники человека. В самом


5.1. «Эволюция эволюции»

Из книги Поведение: эволюционный подход автора Курчанов Николай Анатольевич

5.1. «Эволюция эволюции» История эволюционизма, или, как иногда говорят, «эволюция эволюции», является темой огромного числа публикаций (Завадский К. М., Колчинский Э. И., 1977; Waddington С., 1975). Рассмотрим основные вехи этой истории.Эволюционизм возник как альтернатива учению о


10.1. Эволюция мозга

Из книги автора

10.1. Эволюция мозга Как сказал один из творцов современной молекулярной биологии, лауреат Нобелевской премии Ф. Крик: «Нет области науки более жизненно важной для человека, чем исследования его собственного мозга» (Крик Ф.,


Глава 2. Эволюция

Из книги автора

Глава 2. Эволюция Путь от амебы к человеку казался философам очевидным прогрессом. Хотя неизвестно, согласилась бы с этим мнением амеба. Б. Рассел (1872–1970), английский философ, лауреат Нобелевской премии 1950 г. Теория эволюции – это не только общебиологическая теория, но и


2.7. Эволюция и прогресс

Из книги автора

2.7. Эволюция и прогресс Анализ направлений эволюции вообще и эволюции человека, часто преподносимого как эволюционная «вершина», неизбежно приводит к вопросу: что служит критерием прогрессивности? Сложность такого вопроса отмечал еще Ч. Дарвин: «Здесь мы вступаем в