Εξέλιξη εν δράσει: το πείραμα των 67000 γενεών Understand article

Μετάφραση από: Ζωή Χασαποπούλου (Zoi Chasapopoulou) – Φοιτήτρια Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, ΔΠΘ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος,…

Ως εξελικτικός βιολόγος, μου αρέσει να σκέφτομαι ότι η μελέτη της εξέλιξης είναι παρόμοια με τη μελέτη των αστεριών. Κανένας αστρονόμος δεν ζει αρκετά, ώστε να παρατηρήσει ένα αστέρι να γεννιέται, να μεγαλώνει και να πεθαίνει. Ο Ήλιος, για παράδειγμα, έχει έναν κύκλο ζωής περίπου 10 δισεκατομμυρίων (1010) χρόνων- μια κλίμακα χρόνου άνευ αναλογίας με την ανθρώπινη ζωή. Όμως, καθώς το Σύμπαν είναι γεμάτο με αστέρια, εκατομμύρια από αυτά μόνο στο Γαλαξία μας (Milky Way), οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν πολλά αστέρια σε διαφορετικά στάδια του κύκλου της ζωής τους. Από αυτές τις παρατηρήσεις, μπορούν να συγκεντρώσουν αρκετά δεδομένα, ώστε να βρουν τα διαφορετικά στάδια της ζωής ενός αστεριού και να χαρτογραφήσουν ολόκληρη την εξέλιξή του.

Οι εξελικτικοί βιολόγοι δεν ζουν περισσότερο από τους αστρονόμους, οπότε κανένας δεν έχει δει ούτε ένα είδος σπονδυλωτών να αποκλίνει και να εξελίσσεται σε δύο ή περισσότερα διαφορετικά είδη. Ωστόσο, όπως οι αστρονόμοι, εκμεταλλευόμαστε το γεγονός ότι υπάρχουν εκατομμύρια είδη στη Γη που αποσχίζονται από άλλα σε διαφορετικά σημεία στο χρόνο και μπορούμε να έχουμε πρόσβαση στα αρχεία αυτής της ιστορίας που διατηρείται στους βράχους και στο γενετικό υλικό των οργανισμών, νεκρών είτε ζωντανών.

Απολίθωμα αμμωνίτη σε παραλία στο Dorset, U.K. Γνωστή ως Ιουρασική ακτή, αυτή η τοποθεσία είναι πλούσια σε απολιθώματα.
Paul Williams / Flickr
 

Σε αυτό το πλαίσιο, οι εξελικτικοί βιολόγοι που μελετούν μικροοργανισμούς έχουν ένα πλεονέκτημα έναντι των βιολόγων, όσον αφορά την εξέλιξη πιο πολύπλοκων ειδών, όπως τα σπονδυλωτά: τα μικρόβια αναπαράγονται και μεταλλάσσονται τόσο ραγδαία που θέτουν την εξέλιξη σε γρήγηρες ταχύτητες. Σε αυτό το άρθρο, εξετάζουμε λεπτομερώς ένα αξιοσημείωτο πείραμα που έχει ιχνηλατήσει την εξέλιξη της Escherichia coli μέσα στο απίστευτο χρονικό διάστημα των 67 000 γενεών. Αυτός ο αριθμός, μεταφρασμένος σε ανθρώπινες γενιές, είναι ανάλογος περίπου ενός εκατομμυρίου χρόνων-το οποίο θα μας πήγαινε πίσω, πολύ πριν την απαρχή του δικού μας είδους, του Homo sapiens. Χρησιμοποιώντας E. coli, η οποία αναπαράγεται 6-7 φορές την μέρα, όλο αυτό έχει συμβεί σε λιγότερο από 30 χρόνια.

Όμως, πώς μπορεί η ιχνηλάτιση των  πληθυσμών των μικροοργανισμών να μας αποκαλύψει οτιδήποτε σχετικά με την εξέλιξη άλλων ειδών, ακόμα και των ίδιων των ανθρώπων; Καταρχάς, ας ρίξουμε μια ματιά με το τι εννοούμε με τον όρο εξέλιξη.

Τι είναι η εξέλιξη;

Εξέλιξη είναι οποιαδήποτε αλλαγή στη συχνότητα των γενετικών παραλλαγών (αλληλομόρφων) μεταξύ μιας ομάδας οργανισμών του ίδιου είδους (πληθυσμός) από τη μια γενιά στην επόμενη. Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί που μπορούν να επιφέρουν την εξέλιξη, συμπεριλαμβανομένης της μετανάστευσης (όταν μια ομάδα νέων ατόμων εντάσσεται σε ή αποχωρεί από έναν υπάρχοντα πληθυσμό) και την απλή τύχη (όταν τα άτομα έχουν άνισες ευκαιρίες να αναπαραχθούν). Ο πιο γνωστός μηχανισμός, που συχνά παραγνωρίζεται ο ίδιος ως εξέλιξη, είναι η θετική φυσική επιλογή: ο μηχανισμός μέσω του οποίου τα άτομα με μερικούς συνδυασμούς αλληλομόρφων σε ένα είδος εντός ενός δεδομένου περιβάλλοντος παράγουν περισσότερους απογόνους από άτομα με άλλους συνδυασμούς, οδηγώντας σε προσαρμογές σε αυτό το είδος.

Ο εντυπωσιακός μαύρος και κίτρινος χρωματισμός δίνει στις σαλαμάνδρες της φωτιάς πλεονεκτήματα για φυσική επιλογή, παρέχοντας καμουφλάζ και δρώντας ως προειδοποίηση σε δυνητικούς θηρευτές.
Marcin Bajer / Flickr
 

Πολλές αλλαγές στην συχνότητα των αλληλομόρφων δεν οδηγούν στην εμφάνιση ενός νέου είδους, αλλά όταν συμβεί μια απόσχιση, αυτό πάντα είναι συνέπεια πολλών διαφορετικών γενετικών παραλλαγών που συσσωρεύονται σε διαφορετικούς πληθυσμούς. Η μελέτη τόσο θεμελιωδών μηχανισμών της εξέλιξης -πώς οι γενετικές αλλαγές προκύπτουν και έπειτα εξαπλώνονται σε ή εξαφανίζονται από έναν πληθυσμό και πώς αυτές συμβάλλουν στην “αρμοστικότητα” ενός οργανισμού (ένα μέτρο της αναπαραγωγικής του επιτυχίας)- μας εξηγεί  πώς συμβαίνει η εξέλιξη. Και η μελέτη των μηχανισμών της εξέλιξης είναι ευκολότερη και γρηγορότερη όταν γίνεται στους μικροοργανισμούς.

Γράφημα που δείχνει ένα φανταστικό παράδειγμα του πεπρωμένου των πέντε διαφορετικών αλληλομόρφων (χρωματισμένες γραμμές) σε έναν πληθυσμό στο χρόνο. Τα αλληλόμορφα εμφανίζονται σε διαφορετικούς χρόνους και αυξάνονται σε συχνότητα με διαφορετικούς ρυθμούς. Έπειτα, είτε εξαφανίζονται (μπλε, γκρι και καφέ γραμμές), είτε εξαπλώνονται σε ολόκληρο τον πληθυσμό (κίτρινες και πράσινες γραμμές).

LTEE : ένα πολύ μακροπρόθεσμο πείραμα

Το πείραμα που στοχεύει να παρακολουθήσει την βακτηριακή εξέλιξη σε δράση,  είναι γνωστό ως το μακροπρόθεσμο πείραμα της εξέλιξης της E. coli ή LTEE (long-term evolution experiment). Στο πείραμα, το οποίο ξεκίνησε στις 24 Φεβρουαρίου του 1988, πληθυσμοί της E. coli ιχνηλατήθηκαν στη διάρκεια του χρόνου για να βρεθούν τι αλλαγές λαμβάνουν χώρα στα γονιδιώματά τους και τι επίδραση έχουν αυτές οι αλλαγές στα χαρακτηριστικά των οργανισμών.

Στην αρχή του πειράματος, ο Richard Lenski στο Michigan State University, USA, χρησιμοποίησε 12 φλάσκες με ένα βακτηριακό μέσο που περιείχε τα απόλυτα ελάχιστα θρεπτικά συστατικά που χρειάζονταν τα βακτήρια για να επιβιώσουν, έπειτα εμβολίασε όλες τις 12 φλάσκες με την ίδια καλλιέργεια E. coli, και τις άφησε να επωαστούν στους 37 °C. Την επόμενη μέρα, πήρε ένα μικρό όγκο από την καλλιέργεια της κάθε φλάσκας, τον αραίωσε με μια φρέσκια ποσότητα θρεπτικού μέσου, και τον άφησε ξανά να επωαστεί ολονύκτια, απορρίπτοντας την καλλιέργεια της προηγούμενης ημέρας. Η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται κάθε μέρα από τότε- για πάνω από 10 000 μέρες μέχρι στιγμής.

Μερικά από τα χιλιάδες τρυβλία Petri περιέχουν καλλιέργειες  που αφαιρέθηκαν από τις φλάσκες για ανάλυση. Μπροστά από τις φλάσκες είναι ο Zachary Blount, διδακτορικός φοιτητής του Richard Lenski.
Zachary Blount, Michigan State University.
 

Επομένως,  πώς βρίσκουν οι LTEE ερευνητές αν τα E. coli εξελίσσονται- και αν ναι, πώς; Κάθε 75 μέρες (περίπου 500 γενιές), καταψύχεται ένα δείγμα από την καλλιέργεια κάθε φλάσκας, με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι δυνατό να ανακτηθεί, να ανακαλλιεργηθεί σε τρυβλίο Petri και να αναλυθεί όταν πρέπει. Για κάθε ανάλυση, οι ερευνητές μελέτησαν το DNA στα γονιδιώματα διαφορετικών στελεχών E. coli για να χαρτογραφήσουν γενετικές αλλαγές που συνέβησαν από την προηγούμενη παγωμένη γενιά σε κάθε φλάσκα. Ζωτικής σημασίας είναι ότι συνέκριναν επίσης πόσο καλά μεγάλωναν στελέχη από διαφορετικές φλάσκες και χρονικές περιόδους όταν ανταγωνίζονταν μεταξύ τους, διότι ο βαθμός ανάπτυξης είναι ένα καλό μέτρο της εξελικτικής αρμοστικότητας: τα βακτήρια που αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται πιο γρήγορα είναι, από εξελικτικής άποψης, αρμοστικότερα.

Από αυτές τις αναλύσεις, ο Richard Lenski και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να εδραιώσουν την σχέση μεταξύ των μεταλλαγών που συνέβαιναν στο γονιδίωμα της E. coli και την επίδρασή τους στην αρμοστικότητα, δηλαδή έδειξαν πώς εξελίσσονται τα βακτήρια. Κάποια από τα ευρήματά τους απεικονίζονται στο σχήμα 1.

Σχήμα 1: Γράφημα που δείχνει την αλλαγή στην σχετική αρμοστικότητα (ρυθμός ανάπτυξης) των πληθυσμών της E.coli σε σχέση με το χρόνο (προσαρμοσμένο από τον Wiser et al., 2013)
 

Εδώ, ο κατακόρυφος άξονας δείχνει τον μέσο ρυθμό ανάπτυξης των βακτηριακών πληθυσμών από έξι φλάσκες, σε σχέση με την αρμοστικότητα των βακτηρίων στην αρχή του πειράματος (δηλαδή πόσο καλύτερα ή χειρότερα αναπτύσσονται οι τελευταίες καλλιέργειες σε σχέση με τις πρώτες), και ο οριζόντιος άξονας δείχνει τον αριθμό των γενεών. Μπορούμε να δούμε ότι σε πρώιμες γενιές, ο ρυθμός ανάπτυξης αυξάνει ραγδαία, υποδηλώνοντας ότι οι πρώιμες μεταλλάξεις είχαν μια μεγάλη επίδραση. Πιο όψιμες αλλαγές στο DNA έχουν μικρότερη επιρροή, αλλά τα βακτήρια συνεχίζουν να προσαρμόζονται. Δεν υπάρχει ούτε μια ιδανική αλληλουχία DNA που να παρέχει την ιδανική αρμοστικότητα στο περιβάλλον, αλλά αντιθέτως ένα μονοπάτι αυξανόμενης αρμοστικότητας το οποίο τα βακτήρια συνεχίζουν να ανεβαίνουν.

Μια άλλη παρατήρηση ήταν ότι προέκυψαν δύο ασυνήθιστα μεταλλαγμένα στελέχη. Ένα από αυτά, το οποίο εμφανίστηκε ανεξάρτητα σε τρεις πληθυσμούς μεταξύ των γενεών 2500 και 8500, ονομάστηκε στέλεχος «υπερμεταλλάκτης», διότι το DNA του άλλαζε γρηγορότερα από το DNA άλλων στελεχών. Το στέλεχος υπερμεταλλάκτης έφτασε γρηγορότερα σε υψηλότερη αρμοστικότητα από άλλα στελέχη (σχήμα 2), διότι περισσότερες μεταλλάξεις – περισσότεροι γενετικοί πολυμορφισμοί του γονιδιώματος- σήμαινε ότι χρήσιμα παραλλάγματα που παρέχουν υψηλότερη αρμοστικότητα ήταν πιο πιθανό να συμβούν.

Σχήμα 2: Γράφημα που δείχνει την εμφάνιση του στελέχους «υπερμεταλλάκτη» (πράσινο) και την σχετικά υψηλότερη αρμοστικότητά του σε δεδομένο αριθμό γενεών σε σύγκριση με τον φυσιολογικό ρυθμό μεταλλαγών στα στελέχη (κίτρινο) ( προσαρμοσμένο από Wiser et al., 2013)
 

Το δεύτερο μετάλλαγμα που ανακάλυψε ο Lenski και η ομάδα του ήταν ακόμα πιο εντυπωσιακό (Blount et al., 2012). Περίπου στη γενιά 31 000, ένα στέλεχος άρχισε να αναπτύσσεται πολύ, πολύ περισσότερο από οποιοδήποτε πριν από αυτό. Προσεκτική ανάλυση αυτού του μεταλλαγμένου στελέχους, έδειξε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιεί μια εναλλακτική ουσία, ένα κιτρικό οξύ ως το κύριο θρεπτικό αντί μιας μικρής ποσότητας γλυκόζης στο θρεπτικό μέσο. Οι απόγονοι αυτού το μεταλλάγματος γρήγορα κατέλαβαν τη φλάσκα και η μετάλλαξη που επέτρεψε στα βακτήρια να χρησιμοποιήσουν το κιτρικό οξύ (βλέπε σχήμα 3) έγινε κυρίαρχη στον πληθυσμό – ένα ξεκάθαρο παράδειγμα μιας ευνοϊκής μετάλλαξης που εμφανίζεται και εξαπλώνεται σε έναν πληθυσμό: η θετική φυσική επιλογή εν δράσει.

Οι φλάσκες που περιείχαν καλλιέργειες έπειτα από το μετάλλαγμα με το κιτρικό οξύ αναπτύχθηκαν. Η μεσαία φλάσκα που βρίσκεται μπροστά περιέχει το μετάλλαγμα με το κιτρικό οξύ: τα περιεχόμενα έχουν γίνει θολά λόγω της παρουσίας τόσο πολλών βακτηρίων.
Brian Baer and Neerja Hajela, Michigan State University
 
Σχήμα 3: Πώς μια μετάλλαξη στο γονιδίωμα της E.coli οδήγησε στην ικανότητα να χρησιμοποιεί το κιτρικό οξύ συνεχώς (προσαρμοσμένο από τον Blount et al., 2012).

Στάδιο 1: Πρωτότυπη διάταξη του τμήματος του γονιδιώματος, όπου το κιτρικό οξύ μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο απουσία οξυγόνου. Το γονίδιο citT κωδικοποιεί για μια πρωτεΐνη που μεταφέρει το κιτρικό οξύ μέσα στο κύτταρο. Παρουσία οξυγόνου, αυτό το γονίδιο είναι ανενεργό και δεν παράγεται η πρωτεΐνη.

Στάδιο 2: Το τμήμα του γονιδιώματος διπλασιάζεται.

Στάδιο 3: Έπειτα από τον διπλασιασμό, συντήκονται μέρη των γονιδίων rnk και citG. Η ενεργότητα του rnk gene δεν εξαρτάται από το οξυγόνο και η δραστηριότητα της σύντηξης του rnk-citG διακόπτει τον έλεγχο του γειτονικού γονιδίου citT (πράσινο), ενεργοποιώντας το είτε παρουσία είτε απουσία οξυγόνου. Το πρωτότυπο αντίγραφο του citT (γκρι) παραμένει ανενεργό παρουσία οξυγόνου.

Μαθαίνοντας από τα μεταλλάγματα

Το μετάλλαγμα που τρέφεται με κιτρικό οξύ είναι μια περίπτωση στην οποία ήταν πιθανό να δούμε την εξέλιξη να συμβαίνει με γυμνό μάτι: ένα διαυγές θρεπτικό μέσο που γίνεται θολό με δισεκατομμύρια κύτταρα κυριολεκτικά να κολυμπάνε σε μια νέα πηγή φαγητού και να αυξάνονται εκρηκτικά σε αριθμό μέσα σε ώρες. Παρόλο που η αρχική μετάλλαξη έδωσε ένα μόνο μικρό πλεονέκτημα έναντι της προηγούμενης γενιάς των βακτηρίων, ήταν αρκετό ώστε να διασφαλίσει την αναπαραγωγική επιτυχία των μεταλλαγμάτων. Σύντομα, ολόκληρος ο πληθυσμός ήταν ικανός να χρησιμοποιεί το κιτρικό οξύ ως πηγή φαγητού.

Αυτό είναι μόνο ένα παράδειγμα του πώς η σύντομη γενεαλογία των μικροοργανισμών, σε συνδυασμό με την νέα μας ικανότητα να αλληλουχήσουμε τα γονιδιώματα πολύ γρήγορα, μας επιτρέπει να δούμε την επίδραση των γενετικών παραλλαγμάτων να συμβαίνει σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Μελετώντας αυτά τα χαρακτηριστικά της εξέλιξης σε μικροοργανισμούς, επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να κατανοήσουν τις εξελικτικές διαδικασίες που συμβαίνουν σε άλλους οργανισμούς σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές περιόδους- συμπεριλαμβανομένης της εμφάνισης νέων ειδών.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Ο Dr Jarek Bryk είναι λέκτορας μοριακής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Huddersfield στη βόρεια Αγγλία. Διδάσκει γονιδιωματική και εξέλιξη και μελετά πώς αλλάζουν οι συχνότητες των αλληλομόρφων σε άγριους πληθυσμούς δασοποντικών και νυφίτσων. Βρες τον στο διαδίκτυο στο http://bryklab.net ή στο Twitter στο @jarekbryk.


Review

Η διδασκαλία της εξέλιξης είναι ζωτικής σημασίας, διότι δίνει τη δυνατότητα στους μαθητές να γίνουν πιο βιολογικά εγγράμματοι πολίτες. Οι καθηγητές μερικές φορές αδυνατούν να πείσουν τους μαθητές τους για αυτή τη βιολογικά σημαντική ιδέα, ώστε άλλες ερμηνείες (πχ. ο δημιουργισμός) να βρουν το δρόμο τους στη σκέψη των μαθητών. Αυτό το άρθρο μπορεί να βοηθήσει τους καθηγητές παρέχοντάς τους νέα πειραματικά δεδομένα που υποστηρίζουν τη θεωρητική βάση της εξέλιξης.

Αυτό το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε τάξη που σχετίζεται με τη μελέτη της εξέλιξης. Ερωτήσεις κατανόησης που θα μπορούσαν να ερωτηθούν στους μαθητές περιλαμβάνουν τις εξής:

  • Πώς αποκτούν οι οργανισμοί ποικιλομορφία;
  • Περίγραψε πώς η γενετική ποικιλομορφία επηρεάζεται από τη φυσική επιλογή.
  • Τι σημαίνει «αρμοστικότερος» όταν χρησιμοποιείται για να περιγράψει οργανισμούς;
  • Τι μας λέει το πείραμα σχετικά με της μικρο-εξέλιξη των οργανισμών;

Παναγιώτης Κ. Στασινάκης, καθηγητής βιολογίας, 4ο Λύκειο Ζωγράφου, Ελλάδα




License

CC-BY