Evolucija na delu: eksperiment od 67 000 generacija Understand article

Prevela Jelena Cvetanović (Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu). Jedinstveni eksperiment koji prati promene mikroba kroz hiljade generacija – tako da evoluciju možemo posmatrati na ubrzan način. 

Kao evolucioni biolog, volim da razmišljam da je proučavanje evolucije veoma slično proučavanju zvezda. Nijedan astronom ne živi dovoljno dugo da bi posmatrao kako se ista zvezda rađa, stari i na kraju nestaje. Na primer, životni ciklus Sunca je oko 10 milijardi (1010 ) godina – što daleko premašuje prosečan ljudski vek. Pošto je Svemir prepun zvezda, od kojih se milioni nalaze samo u Mlečnom putu, astronomi mogu posmatrati mnoge zvezde u različitim fazama njihovog životnog ciklusa. Ta posmatranja im omogućavaju da prikupe dovoljno podataka o životnom ciklusu zvezda i iscrtaju njihovu evoluciju.

Evolucioni biolozi ne žive duže od astronoma,  tako da niko od njih nije video kako se jedna vrsta kičmenjaka odvaja i postepeno prelazi u dve ili više različitih vrsta. Ali i mi, poput astronoma, možemo iskoristiti činjenicu da na Zemlji postoje milioni vrsta koje su nastale od drugih, u određenom trenutku, a tragove istorije vrsta pronalazimo u stenama i genetskom materijalu organizama, bilo da su oni živi ili više ne.

Fosil amonita na plaži u Dorsetu, Ujedinjeno Kraljevstvo. Poznata kao plaža iz doba Jure, ova lokacija bogata je fosilima.
Paul Williams / Flickr
 

U ovom kontekstu, evolucioni genetičari, koji proučavaju mikroorganizme, su u prednosti u odnosu na biologe, koji se bave evolucijom složenijih vrsta kao što su kičmenjaci: mikrobi se razmnožavaju i mutiraju veoma brzo tako da  ubrzavaju evoluciju. U ovom članku, detaljno predstavljamo jedan izvanredan eksperiment koji prati evoluciju bakterije Escherichia coli kroz  neverovatnih 67 000 generacija. Prevedeno na ljudske generacije, ovaj broj jednak je otprilike jednom milionu godina – što bi nas odvelo mnogo dalje u prošlost od vremena nastanka naše vrste, Homo sapiens. Kada govorimo o E. coli, koja se replicira šest ili sedam puta svakoga dana, onda se sve ovo dogodilo za manje od 30 godina.

Ali kako nam praćenje populacije mikroorganizama može reći bilo šta u vezi sa evolucijom drugih vrsta, ili čak i samih ljudi? Hajde prvo da pogledamo šta  podrazumevamo pod evolucijom.

Šta je evolucija?

Evolucija je bilo koja promena u frekvenciji genetskih varijanti (alela) unutar jedne grupe organizama koje pripadaju istoj vrsti (populacija) od jedne generacije do sledeće. Postoji nekoliko mehanizama koji prouzrokuju evoluciju, uključujući migracije (kada se grupa novih jedinki pridruži ili napusti postojeću populaciju) i slučajnost ( kada jedinke nemaju  podjednake mogućnosti za reprodukciju). Najpoznatiji mehanizam, koji se često brka sa samom evolucijom, je pozitivna prirodna selekcija: to je mehanizam uz pomoć kog jedinke sa određenim kombinacijama alela jedne vrste u datoj sredini proizvode više naslednika od jedinki sa drugim kombinacijama, što dovodi do prilagođavanjakod te vrste.

Izrazito crna i žuta boja daju vatrenom salamanderu prednost u prirodnoj selekciji jer mu omogućavaju kamuflažu i  pretnja su za druge predatore.
Marcin Bajer / Flickr
 

Mnoge promene u frekvenciji alela ne dovode do nastanka nove vrste, ali kada dođe do podele, ona je uvek posledica brojnih genetičkih varijacija koje se akumuliraju u odvojenim populacijama. Proučavanje ovakvih fundamentalnih mehanizama evolucije – kako genetske promene nastaju, šire se po populaciji ili nestaju iz nje, i kako doprinose  “fitnesu“ organizma (mera njegovog reproduktivnog potencijala) – govori nam kako se događa evolucija. A pručavanje mehanizama evolucije jednostavnije je i brže kada se radi na mikroorganizmima.

Grafikon pokazuje sudbinu pet različitih alela (linije u boji) u jednoj populaciji tokom vremena. Aleli se pojavljuju u različito vreme i njihova frekvencija se povećava u različitim odnosima. Oni potom ili nestaju (plave, sive i braon linije) ili se šire po čitavoj populaciji (žute i zelene linije).

Dugoročni eksperiment

Eksperiment čiji je cilj praćenje evolucije bakterija na delu,  poznat je kao dugoročni evolucioni eksperiment E. coli ili LTEE. U eksperimentu koji je počeo 24. februara 1988. populacija E. coli se prati tokom vremena da bi se otkrilo do kakvih promena dolazi u njihovim genomima i  kakav uticaj te promene imaju na osobine samog organizma.

Na početku eksperimenta, Richard Lenski s Mičigenskog Državnog Univerziteta u Sjedinjenim Američkim Državama (Michigan State University, USA), postavio je dvanaest posuda sa bakterijama koje sadrže minimum nutrijenata potrebnih za opstanak bakterija, potom je u svih 12 posuda zasadio istu kulturu E. coli i ostavio ih da se inkubiraju na 37˚ C. Sutradan je izvadio malu količinu ove kulture iz svake od posuda, razblažio je novom količinom mediuma i ponovo ostavio da se inkubira preko noći. Kulturu od prethodnog dana je bacio. Ovaj isti proces ponavlja se od tada – a to znači više od 10 000 dana.

Neke od hiljadu Petri posuda koje sadrže kulture  iz erlenmajera za analizu. Ispred  posuda je Zakari Blaunt (Zachary Blount) sa Mičigenskog Državnog Univerziteta.
Zachary Blount, Michigan State University
 

Kako onda LTEE istraživači otkrivaju da li  E. coli  evoluira – i ako je odgovor potvrdan, kako se to dešava? Svakih 75 dana (oko 500 generacija), uzorak kulture iz flaskova svake posude se zamrzava tako da može ponovo da se obnovi i razvije u Petri posudi,  a analizira po potrebi. Prilikom svake analize, istraživači ispituju DNK u genomima različitih lanaca E. coli  da bi zabeležili novonastale genetske promene u odnosu na prethodno zamrznutu generaciju u svakoj posudi. Veoma je značajno što istraživači takođe porede koliko uspešno se linije iz različitih posuda i vremenskih perioda razvijaju kada su u kompetencijijedni sa drugima, jer je njihova stopa rasta odlična mera evolucione prilagodljivosti: bakterije, koje brže rastu i  razmnožavaju se,  su u evolucionoj terminologiji “prilagodljivije”.

Iz ovakvih analiza, Richard Lenski i njegove kolege uspeli su da utvrde odnos između mutacija u E. coli genomu i njihovih uticaja na adaptivnu vrednost – što znači da su pokazali kako je bakterija evoluirala. Neka od ovih saznanja pokazana su na slici 1.

Slika 1. Grafikon predstavlja promenu u relativnoj adaptivnoj vrednosti (stopa rasta) populacije E.coli tokom vremena (adaptirano prema Wiser i sar., 2013)
 

Ovde vertikalna osa predstavlja prosečnu stopu rasta bakterijske populacije iz šest posuda, u odnosu na adaptivnu vrednost bakterija sa početka  ovog eksperimenta (odnosno koliko su se bolje ili lošije kasnije kulture razvijale u odnosu na prve). Horizontalna osa predstavlja broj generacija. Možemo primetiti da se u ranijim generacijama stopa rasta naglo povećava, što ukazuje da su rane mutacije imale veći uticaj. Kasnije promene u DNK imaju manji uticaj ali bakterije nastavljaju da se adaptiraju. Ne postoji jedna idealna DNK sekvenca koja mogućava savršenu prilagodljivost u ovoj sredini, već pre ulazna  putanja prilagođavanja kojom bakterija nastavlja da se penje.

Druga stvar koja je otkrivena je nastanak dve neuobičajene mutirane linije. Jedna od njih, koja se pojavila nezavisno u tri populacije između 2500. i 8500. generacije, nazvana je “hipermutator” linija, jer se njena DNK izmenila brže od DNK u ostalim linijama. Hipermutatorska linija  postigla je veći stepen adaptibilnosti od ostalih lanaca (slika 2),  jer više mutacija – više genetskih varijanti genoma – znači da korisne varijante koje omogućavaju veći “fitnes”, imaju veću šansu da se pojave.

Slika 2: grafikon pokazuje nastanak “hipermutatorske” linije (zelena) i njene veće relativne adaptivne vrednosti u određenoj generaciji u poređenju sa stepenom normalnih mutacija(žuta) (adaptirano prema Wiser i sar, 2013)
 

Drugi mutant koga su Lenski i njegov tim otkrili bio je još impresivniji (Blount i sar., 2012). Oko 31000. generacije, jedna linija je počela  naglo da raste, mnogo više od bilo koje druge.  Pažljiva analiza ove mutirane linije pokazala je da  ona može da koristi alternativnu supstancu, citrat, kao ključni nutrijent, tamo gde ima male količine glukoze u mediumu. Sledeća generacija  ovog mutanta brzo se raširila posudom, a mutacija koja je omogućila da bakterija iskoristi citrate (vidi sliku 3) postala je dominantna u ovoj populaciji – što je jasan primer korisnih mutacija koje se pojavljuju i šire po čitavoj populaciji: pozitivna prirodna selekcija na delu.

Posude sa kulturama posle nastanka citrat mutanta. Srednji erlenmajer u prednjem redu sadži citrat mutante; sadržaj je postao mutan zbog prisustva velikog broja bakterija.
Briaan Baer i Neerja Hajela, Mičigenski Državni Univerzitet
 
Slika 3: Kako je mutacija u genomu E.coli   dovela do sposobnosti kontinuiranog korišćenja citrata  ( adaptirano prema Blount i sar, 2012).

Faza 1: Prvobitni raspored genomskog fragmenta, gde se citrat može iskoristiti samo ukoliko nema kiseonika. CitT gen kodira protein koji omogućava ulazak citrata u ćeliju. Kada je prisutan kiseonik, ovaj gen je neaktivan a protein se ne proizvodi.

Faza 2: Genomski fragment je dupliran.

Faza 3: Posle dupliranja, delovi r nk i citG gena se sjedinjuju. Aktivnost r nk gena ne zavisi od prisustva kiseonika, a sjedinjenje r nk-citG narušava kontrolu susednog citT gena (zelena), i aktivira ga nezavisno od prisustva kiseonika. Prvobitni primerak citT (siva) ostaje neaktivan u prisustvu kiseonika.

Učenje od mutanata

Mutanti koji unose citrate je situacija u kojoj je bilo moguće videti golim okom kako se evolucija dešava na delu: čist medium postao je mutan od milijardi ćelija koje bukvalno plivaju u novom izvoru hrane i naglo se povećavaju  brojnost kako vreme prolazi (iz sata u sat). Iako je početna mutacija  pokazala samo mali napredak u odnosu na prethodnu generaciju bakterija, to je bilo dovoljno da osigura reproduktivni uspeh mutanta. Ubrzo je čitava populacija mogla da koristi citrate kao izvor hrane.

Ovo je samo jedan primer kako  nam kratko generacijsko  vreme mikroorganizama, u saradnji sa našom sposobnošću da sekvenciramo genome veoma brzo, omogućavaju da uočimo efekte genetskih varijanti koje se dešavaju u realnom vremenu. Proučavanje ovih obeležja evolucije mikroorganizama takođe omogućava naučnicima da bolje razumeju evolucione procese koji se odvijaju u drugim organizmima tokom dužeg vremenskog perioda – uključujući tu i pojavu novih vrsta.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Dr Jarek Bryk predavač je molekularne biologije na univerzitetu u Hadersfildu u svernoj Engleskoj. Predaje genomiku i evoluciju i proučava kako se menjaju frekvencije alela u prirodnim populacijama šumskih miševa i lasica. Pronađite ga online na http://bryklab.net ili na Twitter-u na @jarekbryk.


Review

Učenje o evoluciji je od ključne važnosti da studenti biologije postanu biološki pismeni građani. Nastavnici ponekada nisu dovoljno uverljivi kada žele da približe  svojim učenicima ovu važnu biološku ideju tako da neke druge interpretacije (npr. kreacionizam) mogu pre dopreti do učenika i biti prihvaćene. Ovaj članak bi trebao da pomogne nastavnicima jer nudi nove eksperimentalne rezultate  koji dokazuju teoretski koncept evolucije.

Članak se može iskoristiti za bilo koje časove koji se tiču evolucije. Pitanja koja se mogu postaviti učenicima u vezi sa razumevanjem ove teme su:

  • Kako se dolazi do raznovrsnosti organizama?
  • Opiši kako na genetsku raznovrsnost utiče prirodna selekcija.
  • Šta znači pojam “prilagođen” pri opisu organizama?
  • Šta nam ovaj eksperiment govori o mikroevoluciji organizama?

Panagiotis K. Stasinakis, nastavnik biologije, Četvrta gimnazija, Zografou, Grčka




License

CC-BY