Коли одноклітинні водорості хлорела (Chlorеlla variablis) і смертельний для них контрагент хлоровірус борються, відбувається приблизно таке: після повторених циклів виснаження та відновлення більшість водоростей стає резистентними до патогена. Дослідники з Інституту еволюційної біології імені Макса Планка в Плені кажуть: за однакових стартових умов еволюційні процеси відбуваються подібно і призводять до виникнення однакових властивостей. Але не в геномі: в кожному випадку водорості, що виробили резистентність, виявлялися носіями різних генів. Так учені продемонстрували, що еволюція однакових властивостей може відбуватися паралельно, навіть якщо гени, що лежать в їхній основі, розвиваються по-різному.
Для експериментів дослідники культивують зелені водорості Chlorella variabilis у скляних пляшках, до яких постійно потрапляє нове поживне середовище. Зображення: L. Becks.
У своїх експериментах науковці розселили популяцію генетично ідентичних Chlorеlla variablis в багато посудин для вирощування клітинних культур і спостерігали за ними впродовж 90 днів. Три з популяцій вчені інфікували хлоровірусом PBCV-1, інші ж розмножувалися без «антагоніста» і виконували роль матеріалу для порівняння.
У цьому варіанті дослідів відбувалася лише одна еволюційна «гонка озброєнь», коли в водостей та паразитів вироблялися все нові механізми захисту та нападу. Господар і паразит проходили так звану коеволюцію.
При цьому було б не дивно, якби еволюція в кожній колонії проходила по-іншому. З попередніх досліджень учені вже знали, що маленька популяція Chlorеlla variablis самотужки розмножується доти, доки не досягне максимальної щільності, яку вміщає її життєвий простір. Зовсім інакше відбувається з популяцією, яка має стримувати вірус і з ним коеволюціонувати.
«Після різкого збільшення впродовж перших 15 днів, кількість водоростей суттєво зменшувалася. Паралельно з цим кількість вірусів значно зростала», – пояснив Лютц Бекс (Lutz Becks) з Інституту еволюційної біології імені Макса Планка.
Після повторного зростання приблизно на 20-й день знову відбувається і кількість водоростей зростає. І це зростання триває аж до кінця експерименту.
Популяція вірусу розвивалася з точністю до навпаки: після двох хвиль раптового приросту в перші три тижні кількість вірусів раптово йшла на спад, при цьому не вимираючи цілком.
Важливо було помітити, що цей розвиток подібний для кожної колонії водоростей, що змушена були розвиватися з вірусами. «Всі три популяції демонстрували подібні часові процеси. Очевидно, коеволюція між господарем та паразитом щоразу відбувалася подібно», – сказав Бекс. Наприкінці експерименту кожна з популяцій складалася майже виключно з клітин водоростей, що стали резистентними до вірусу. Вони могли відбити напад вірусу не лише з власної популяції, а й з інших – хоча там відбувалися незалежні процеси коеволюції.
«В усіх трьох випадках водорості та паразити мали добре пристосуватися одне до одного, інакше це явище неможливо було б пояснити», – сказав Бекс. Вже після 45 днів господар та паразит настільки вдосконалювали свої механізми захисту й нападу, що жоден не міг здобути перевагу над іншим. За цей час водорості ставали резистентними навіть до тих вірусів, що виникали пізніше. Поряд зі стійкими залишалися все ще нерезистентні водорості. Через них і віруси не вимирають.
Аналіз геному водоростей засвідчив, що резистентні клітини дублюють одну частину свого геному. Таке подвоєння здається поширеним механізмом, коли організм розвиває нові механізми пристосування.
«Продубльований регіон, хоча й не робить клітини безпосередньо резистентним до вірусу, проте зменшує ресурси, необхідні для вироблення резистентності у водоростей», – пояснив Бекс.
Крім цього дублювання, згідно з отриманими результатами, важливу роль відіграють точкові мутації. Очевидно, на цьому рівні еволюція відбувається різними шляхами, адже якщо всі резистентні клітини мали продубльований регіон, то точкові мутації в їхньому організмі відрізнялися.
Експерименти засвідчили, що еволюція за однакових умов розвиває ті ж властивості (йдеться про резистентність) і призводить до подібних популяційних процесів. Проте на рівні окремих генів все це виглядає інакше: тут еволюція знаходить щоразу нові шляхи, аби пристосуватися.
«Мутації наступають випадково. Крім того, зменшення кількості популяції нівелює частину з них. Це все разом призводить до того, що еволюцію на генетичному рівні важко передбачати», – сказав Бекс.
mpg.de, 03/05/2018
Зреферувала С.К.
03.05.2018