По замыслу Чарльза Дарвина в 1800-х годах, эволюция — это медленный, постепенный процесс, в ходе которого виды адаптации постепенно наследуются из поколения в поколение. Однако сегодня биологи могут видеть, как эволюционные изменения разворачиваются в гораздо более ускоренных временных масштабах.
Вместо запоминающихся растений и животных Галапагосских островов, которые Дарвин изучал при формировании своей теории эволюции , постдокторант Джошуа Борин и доцент Джастин Мейер из Школы биологических наук Калифорнийского университета в Сан-Диего документируют быстрые эволюционные процессы в простых лабораторных колбах.
Борин и Мейер поместили бактерии и вирусы в закрытую лабораторную колбу размером всего две чайные ложки, чтобы изучить коэволюцию в действии. По мере того как вирусы заражают своих соседей-бактерий, бактерии вырабатывают новые защитные меры для отражения атак. Затем вирусы противодействуют этим адаптациям своими собственными эволюционными изменениями , которые работают в обход новых защитных мер.
Всего за три недели эта ускоренная гонка вооружений между бактериями (Escherichia coli) и вирусами (бактериофагами или «фагами») приводит к появлению нескольких поколений эволюционных адаптаций. Новые результаты, опубликованные в журнале Science , показывают возникновение различных эволюционных закономерностей.
«В этом исследовании мы показываем силу эволюции », — сказал Мейер, доцент кафедры экологии, поведения и эволюции. «Мы видим, как совместная эволюция бактерий и фагов приводит к возникновению очень сложной экологической сети. Эволюция не обязательно должна быть медленной и постепенной, как думал Дарвин».
Мейер говорит, что новое исследование предлагает свежий взгляд на то, как сложные экологические сети развиваются в различных экосистемах, будь то пищевые сети в саванне, сети опылителей в тропических лесах или микробы, взаимодействующие в океане.
По мере того как бактерии и вирусы со временем адаптировались к присутствию друг друга, возникли две характерные повторяющиеся закономерности. К ним относятся вложенность - развитие, при котором узкие взаимодействия между специалистами по бактериям и вирусам «вложены» в более широкий диапазон общих взаимодействий; и модульность, при которой взаимодействия между видами образуют модули внутри специализированных групп, а не между группами.
«Мы были поражены, обнаружив, что наш эволюционный эксперимент в крошечных колбах повторил сложные закономерности , которые ранее наблюдались между бактериями и вирусами, собранными в региональных и трансокеанских масштабах», — сказал Борин.
«Когда наша исследовательская группа впервые количественно оценила эту многомасштабную закономерность в данных о взаимодействии бактерий и фагов в окружающей среде, мы подумали, что возникновение такой сложности требует длительных периодов эволюции», — добавил соавтор исследования профессор Джошуа Вайц с факультета биологии Университета Мэриленда. .
Мейер говорит, что съемка этих эволюционных процессов «в действии» усиливает силу эволюции, которую часто недооценивают. Быстрая патогенная эволюция продолжает формировать наш мир по-новому. Благодаря COVID-19 и новым мутациям SARS-CoV-2 вирусы продемонстрировали мощную способность к эволюционной адаптации, которая приводит к появлению новых штаммов, когда они сталкиваются с антителами, вакцинами и другими препятствиями, которые не позволяют им эффективно заражаться и распространяться. Такие новые концепции микробной эволюции меняют подходы к лечению пациентов.
«Мы показываем, что эволюция может быстро создавать сложные экологические сети при очень незначительной внешней помощи», — сказал Мейер, указав, что примеры таких внешних эволюционных сил включают изоляцию из-за географического расстояния, экологические факторы и взаимодействие с другими видами. «Таким образом, мы можем использовать фаг и бактерии в качестве модельной системы, чтобы понять общие принципы эволюции и помочь показать, как жизнь на Земле превратилась в такие разнообразные и сложные экосистемы с самого простого начала».
В соответствующей работе Мейер и Вайц используют искусственный интеллект для изучения того, как фаг можно использовать в условиях растущего кризиса устойчивости к антибиотикам . Исследование включает анализ эволюционных данных, чтобы определить, какие мутации в фаге и бактериях могут привести к заражению и устойчивости. Исследование также подчеркивает новые усилия, поддержанные Медицинским институтом Говарда Хьюза, по изучению того, как «гигантские» фаги могут быть использованы в качестве новых терапевтических агентов.
No comments:
Post a Comment