Дарвин в пробирке: молекулы эволюционируют и конкурируют, имитируя поведение дарвиновских вьюрков
Исследование, опубликованное в онлайн-издании журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), демонстрирует классические принципы эволюции. Оно показывает, что при прямой конкуренции разных видов за ограниченный ресурс выживает наиболее приспособленный. Также работа иллюстрирует, как при наличии разнообразных ресурсов виды эволюционируют, становясь всё более специализированными и занимая разные ниши в общей экосистеме.
Работу провела Сара Войтек, Ph.D., выпускница Kellogg School of Science and Technology Института Скриппс, с целью углубить понимание дарвиновской эволюции. Использование молекул вместо живых видов — мощный подход, так как силы эволюции действуют всего за несколько дней: триллионы молекул в пробирке реплицируются каждые несколько минут.
Молекулярная аналогия дарвиновских вьюрков
Наблюдая за вьюрками на Галапагосских островах, Дарвин сформулировал концепцию «разделения ниш»: конкурирующие виды в общей среде дифференцируются, адаптируясь к использованию разных ресурсов.
Джеральд Джойс, профессор Института Скриппс и соавтор работы, уже несколько лет экспериментирует с особым типом ферментативных РНК, способных непрерывно эволюционировать in vitro. Мутация происходит примерно раз за цикл репликации, позволяя популяции со временем приобретать новые признаки. Два года назад Войтек разработала вторую, неродственную ферментативную РНК с такими же свойствами. Это позволило поместить обе РНК в одну среду, заставив их конкурировать за ресурсы, подобно двум видам вьюрков.
Ход эксперимента
Ключевым ресурсом («пищей») служили молекулы, необходимые для репликации каждой РНК. РНК реплицируются, только катализируя присоединение себя к этим «пищевым» молекулам. При обилии пищи РНК реплицируются и мутируют, со временем порождая новые, более приспособленные формы.
- Прямая конкуренция. Когда две РНК поместили в среду с одним общим источником пищи, побеждала и вытесняла другую молекула, лучше адаптированная к использованию именно этого ресурса.
- Разделение ниш. В среде с пятью новыми типами пищи, изначально плохо utilized каждым РНК, после сотен поколений молекулы независимо адаптировались к разным источникам. Их предпочтения стали взаимоисключающими: каждая высокоэффективно использовала свой ресурс и избегала чужой.
Молекулы выработали разные эволюционные стратегии: одна стала чрезвычайно эффективно (в ~100 раз быстрее) поглощать пищу, другая — медленнее усваивать ресурс, но производить примерно в три раза больше потомства за поколение. Оба подхода являются классическими эволюционными стратегиями выживания.
Больше информации: «Niche partitioning in the coevolution of 2 distinct RNA enzymes», Proceedings of the National Academy of Sciences
Источник: The Scripps Research Institute