Насколько предсказуема эволюция?

В новом исследовании, опубликованном 19 февраля в открытом журнале PLOS Biology, учёные показали, что сходные или даже идентичные мутации могут возникать при диверсификации в полностью изолированных популяциях E. coli, эволюционировавших в разных средах на протяжении более 1000 поколений. Эволюция может быть удивительно предсказуемой.

Эксперимент провели Мэтью Херрон из Университета Монтаны и Майкл Дёбели из Университета Британской Колумбии. Они изучали три разные популяции бактерий. В начале каждая популяция состояла из универсалов, конкурирующих за два источника углерода (глюкозу и ацетат), но через 1200 поколений они эволюционировали в два сосуществующих специализированных типа, адаптированных к разным источникам.

Учёные секвенировали геномы бактерий, замороженных в 16 разных точках эволюции, и обнаружили удивительное сходство в их развитии.

«Во всех трёх популяциях, по-видимому, один и тот же основной набор генов отвечает за два наблюдаемых фенотипа, — сказал Херрон. — В нескольких случаях это даже точно такая же генетическая мутация».

Современные технологии секвенирования позволили получить доказательства предсказуемости эволюционного разнообразия. Любой эволюционный процесс — это комбинация предсказуемых и случайных процессов, но наблюдение одинаковых генетических изменений в разных популяциях показало, что отбор может быть детерминированным.

«В геноме E. coli около 4,5 миллионов нуклеотидов. Обнаружить в четырёх случаях, что одно и точечное изменение произошло независимо в разных популяциях, было интригующе», — отметил Херрон.

Исследователи утверждают, что особая форма отбора — отрицательная частотно-зависимая селекция — играет ключевую роль в движении диверсификации. Когда бактерии специализируются на глюкозе или ацетате, высокая плотность одного типа означает меньше ресурсов для него, давая преимущество специалистам на альтернативном ресурсе.

«Мы считаем, что какой-то тип отрицательной частотной зависимости — преимущество редкого типа — важен во многих случаях диверсификации, особенно при отсутствии географической изоляции», — пояснил Херрон.

Херрон полагает, что с развитием технологий подобные эксперименты станут возможны и для более крупных организмов. Некоторые примеры диверсификации без географической изоляции известны у растений и животных, но вопрос о схожести эволюционных процессов с бактериальными остаётся открытым.