Люлката на сътворението: еволюцията в лабораторна екосистема

Най-продължителният лабораторен експеримент, свързан с еволюцията, ни показа още един аспект на естествения свят – значителна промяна в едно същество може да трансформира цялата среда и да промени еволюционната траектория на създанията, населяващи тази среда, пише NewScientist.

Дългосрочният проект за експериментална еволюция (Long-term Experimental Evolution Project) започва през 1988 година. Ричард Ленски от щатския университет на Мичиган взема един щам на ешерихия коли (E. Coli) и го разпределя в 12 популации.

Оттогава насам всеки ден се взема по една проба от всяка популация и се поставя в нова, свежа среда, която съдържа най-вече глюкоза като хранително вещество. Откакто е започнал експериментът, бактериите са преминали през над 60 000 поколения.

Експериментът на Ленски ни позволява да наблюдаваме еволюцията в невиждани досега детайли. Проби се замразяват на всеки 75 дни и затова учените могат да се връщат назад и да идентифицират конкретните генетични мутации, причинили промените, които се наблюдават.

Най-голямата еволюционна стъпка се е случила след около 31 500 поколения. Една от дванадесетте популации развила умението да се храни с цитрат – един от другите химикали, поставяни в средата им.

Е. коли обикновено не се хранят с цитрат, защото веществото не присъства в клетките на бактериите. Но настъпила мутация, даваща им възможност да произвеждат протеина CitT, който позволява на цитрата да преминава през клетъчната мембрана и да навлиза в клетката. Генът за този протеин вече съществувал, но обикновено бил изключен при присъствието на кислород.

Това е нещо като въртяща се врата. Позволява се на едни молекули да влизат, но други трябва да напуснат. За да може цитратът да се внедри в клетките, от тях трябвало да излязат три други вида молекули – сукцинат, фумарат и малат. В създалата се ситуация те били по-маловажни от цитрата.

Веднъж щом бактериите развили умението да се хранят с цитрат, популацията набъбнала значително, защото захранващата среда можела да поддържа повече клетки. Скоро бактериите, които се хранели с цитрат, станали доминиращи и надживели всички останали популации освен една. 

Тя пък се научила да се възползва от променените условия – новата среда изобилствала с трите вида изхвърлени молекули от цитратконсумиращите бактерии. Бактериите от оцеляващата популация развили транспортен протеин DctA, който импортира сукцинат в клетките им с много малко изразходена енергия. Но нещата не свършват дотук. Цитрат-консумиращите също започнали да произвеждат DctA, за да могат да възвърнат изхвърлените сукцинат, фумарат и малат.

„Откритията ни показват как еволюцията може да променя условията на средата и по този начин да променя структурата на екосистемата и еволюционните траектории на организмите  в тази екосистема“, пише в изследването.

Учените сравняват този експеримент с еволюцията на фотосинтезиращата бактерия преди около 2.4 милиарда години – когато кислородът, екскретиран за първи път от тези бактерии, трансформирал Земята и променил пътя на еволюцията, също както появата на бактерии, хранещи се с цитрат, променила средата и еволюционната посока на другите бактерии.

Всъщност биологията ни казва точно това, но благодарение на експеримента можем да наблюдаваме процеса на живо.

Откритията са още едно доказателство, че еволюцията „не мисли“ – в изследването се споменава, че би било по-лесно да се изхаби малко енергия, за да се внедри директно цитрата, отколкото да се разменя със сукцината и другите молекули и след това отново да се хаби енергия за нов протеин, който да върне изхвърлените молекули обратно, преди други организми да са се научили да ги използват за себе си.