Переосмысление адаптации: как популяции растут и выживают
Как организмы адаптируются со временем? Эволюционируют ли они через серию небольших полезных шагов, как предполагал Чарльз Дарвин, или через редкие, но крупные скачки? Или через комбинацию того и другого?
Исследование Кристофера Маркса из Гарвардского университета сосредоточено на адаптации — процессе, с помощью которого популяции улучшают свою способность расти и выживать. Один из ключевых вопросов: какова относительная доля мелких полезных мутаций по сравнению с крупными и как на этот результат влияет размер популяции?
Понимание адаптации в малых популяциях важно, так как многие сценарии — от новых инфекций до рака — связаны с небольшим количеством клеток. Терапевтические подходы, направленные на сокращение популяций патогенов, будут эффективны, если уменьшенные популяции с трудом находят полезные мутации, но менее действенны, если мутации с большим преимуществом возникают относительно легко.
Классический взгляд и новые данные
Традиционно считалось, что адаптация происходит постепенно через серию мелких изменений, а полезные мутации крайне редки. Это приводило бы к редким, ступенчатым скачкам в приспособленности.
Однако недавние работы, включая исследования лаборатории Маркса, показали, что полезные мутации могут возникать гораздо чаще, чем думали раньше. Это меняет картину адаптации: множество инноваций может возникнуть одновременно, и они конкурируют друг с другом. Размер популяции сам по себе оказывает profound effect на адаптацию.
Для изучения адаптации лаборатория Маркса выращивает сотни популяций бактерий Methylobacterium (микроб, обитающий на поверхности листьев и образующий розовый налёт в душе) в контролируемых условиях. Это позволяет напрямую изучать их общего предка.
Работа Маркса и его аспиранта Найджела Делани подтвердила и поставила под сомнение некоторые текущие представления:
- Большие популяции адаптируются быстрее, чем малые — подтвердилось.
- В больших популяциях больше внутренней конкуренции — подтвердилось.
- Большие популяции движутся большими шагами, а малые — мелкими — текущие данные это не подтверждают. И малые, и большие популяции в их экспериментах делали большие шаги.
Взаимодействие мутаций и общая тенденция
Лаборатория Маркса также изучает результат комбинации нескольких полезных мутаций. В статье в журнале Science они сообщили об общей тенденции убывающей отдачи (diminishing returns): полезные мутации становятся менее ценными, когда комбинируются друг с другом.
Идентичную тенденцию в эволюции Escherichia coli обнаружила группа Тима Купера из Университета Хьюстона. Схожие результаты позже были получены в работах с вирусами и дрожжами, что указывает на распространённость этого явления.
Эксперименты с контролируемыми популяциями микробов в лаборатории позволяют изучить спектр возможностей адаптации, что сложнее сделать при прямом исследовании инфекционных заболеваний или рака, где много мешающих факторов.