Мутанты-чемпионы спасают виды от почти неминуемого вымирания

Виды, сталкивающиеся с быстрыми и масштабными изменениями среды, иногда могут эволюционировать достаточно быстро, чтобы избежать вымирания. Например, популяции болезнетворных бактерий эволюционируют в ответ на антибиотики, а насекомые, животные и растения адаптируются к пестицидам, тяжёлым металлам или перелову.

Предыдущие исследования показали, что чем более постепенным является изменение, тем выше шансы на "эволюционное спасение" — процесс возникновения мутаций, достаточно быстрый для выживания популяции. Одна из причин очевидна: при постепенных изменениях остаётся в живых больше особей, а значит, больше возможностей для появления "победной" мутации.

Биологи из Университета Вашингтона, работая с популяциями микроорганизмов, впервые выявили вторую причину. Они обнаружили, что мутация, которая побеждает в самых суровых условиях, часто зависит от "эстафетной команды" других мутаций, возникших ранее. Эти предшествующие мутации появляются только при постепенном или умеренном ухудшении условий.

Без победителей на первых "этапах" этой гонки на выживание маловероятно появление "бегуна" на финишной прямой, когда условия становятся экстремальными.

"Это проблема, учитывая беспрецедентную скорость, с которой множество факторов на планете меняется под влиянием изменения климата и других антропогенных причин", — отметил Бенджамин Керр, доцент биологии UW и автор-корреспондент статьи, опубликованной в онлайн-версии Nature.

Видом для исследования стала бактерия Escherichia coli (E. coli). Учёные эволюционировали сотни её популяций в условиях нарастающего стресса, создаваемого добавлением антибиотика. Концентрацию антибиотика увеличивали с разной скоростью: постепенной, умеренной и быстрой.

Известно, что защиту от этого препарата обеспечивают мутации в определённых генах. Исследователи изучили эти гены в выживших популяциях из условий с постепенным и умеренным изменением среды и обнаружили множественные мутации.

С помощью генной инженерии учёные изолировали каждую мутацию, чтобы проверить её защитный эффект по отдельности. Оказалось, что некоторые из них были выгодны только при низкой концентрации антибиотика и не могли спасти популяцию при максимальных дозах. Однако, как пишут авторы, именно эти мутации "предрасполагают линию к получению других мутаций", которые позволяют избежать вымирания при высоком стрессе.

"Этот двухэтапный путь, ведущий к двойному мутанту, недоступен, если популяцию сразу погружают в среду с высокой концентрацией [антибиотика]", — пояснил Керр. В такой ситуации наблюдались только одиночные мутации, дающие защиту.

"Скорость ухудшения условий среды может качественно влиять на эволюционные траектории, — пишут авторы. — В нашей системе мы обнаружили, что быстрое изменение среды закрывает пути, доступные при постепенном изменении".

Результаты исследования важны как для понимания устойчивости к антибиотикам, так и для оценки последствий глобальных изменений климата. Например, даже низкие концентрации антибиотиков в промышленных и сельскохозяйственных стоках могут эволюционно "подготавливать" бактериальные популяции к устойчивости и к высоким дозам.

Что касается популяций, которым угрожают антропогенные изменения климата, "наше исследование действительно предполагает, что есть веские основания для беспокойства по поводу необычно высоких темпов изменения окружающей среды", — заключают авторы. — "По мере увеличения скорости ухудшения условий может происходить резкий рост уровня вымирания".

Работа финансировалась Национальным научным фондом (включая консорциум Beacon Center for the Study of Evolution in Action) и UW Royalty Research Funds.