Интеллектуальные беседы на тему биологии, нейробиологии, генетики
Ответить
Аватара пользователя
admin
Site Admin
Баланс:16402
 
Сообщения: 110
Регистрация: 19.06.2018

Долгосрочный эксперимент по эволюции бактерии кишечной палочки

admin » 14.03.2023 09:13

+
6
-
Научный руководить нашего Института Ю.И. Мухин выдвинул и теоретически обосновал гипотезу, что Природа (её законы) неумолимо ведут к усложнению живых организмов.

Эту гипотезу подтверждает уникальный эксперимент, в процессе которого простейшая бактерия сумела усложнить собственный организм даже в условиях обитания в благоприятнейшей окружающей среде, а также сумела разделиться на два вида (сообщества).


Представляем цитаты из трех источников, посвященных этому эксперименту.

Встречающиеся в текстах формулировки типа «генетические изменения, мутации» рекомендуем трактовать в широком смысле: не только как изменение состава атомов в ДНК бактерии, а как, в первую очередь, изменение Духа (комплекса программного управления ) бактерии, и, во вторую очередь, изменение тела бактерии. Впрочем, это не исключает вариантов, когда изменение Духа является следствием изменившегося тела, например, после травмы.


= = Википедия = =

Долговременный эксперимент по эволюции E. coli — уникальный эксперимент по эволюции бактерии Escherichia coli в искусственных условиях, проводимый группой под руководством Ричарда Ленски в университете штата Мичиган. Эксперимент начался 24 февраля 1988 года и продолжается более 35 лет. За это время сменилось более чем 75 тысяч поколений в каждой из изначально взятых 12 популяций кишечной палочки. Бактерии живут в комфортных и неизменных лабораторных условиях, но, вопреки ожиданиям, продолжают эволюционировать и обретать новые полезные для выживания свойства.

За время эксперимента обнаружен широкий спектр генетических изменений. Наиболее значительными адаптациями стали появившаяся у одной из популяций способность усваивать цитрат натрия, а также возникновение полиморфных сообществ путём разделения колонии на отдельные сосуществующие и самостоятельно эволюционирующие популяции.


Целью эксперимента был поиск ответа на некоторые важные вопросы эволюционной биологии:

1. Каким образом меняется во времени скорость эволюционных изменений;
2. Какова повторяемость эволюционных изменений для различных популяций, существующих в одинаковой среде;
3. Каково соотношение эволюции на генотипическом (состав ДНК) и фенотипическом (внешний вид и поведение) уровнях.


Выбор бактерии E. coli основан на том, что:

- бактерия десятилетиями используется в молекулярной биологии, она хорошо исследована, технологии работы с ней хорошо отлажены.
- небольшой размер генома, что позволяет за короткий период времени исследовать процессы, которые у более сложных организмов занимают тысячелетия.
- быстрая смена поколений, размножается исключительно делением (без полового процесса): таким образом, все изменения бактерии обусловлены возникшими мутациями.
- без потери жизнеспособности может длительно сохраняться в замороженном состоянии, что позволяет вести своеобразную «летопись эксперимента», а размораживание нужного поколения позволит при необходимости повторить эксперимент с любой ранее сохранённой точки.

В качестве предкового штамма E. coli был взят «штамм Bc251», описанный в 1966 году. Характерными чертами этого штамма были T6r (устойчивость к бактериофагу T6), Strr (устойчивость к стрептомицину), r−m− (рестрикционная и модификационная активности выключены), Ara− (неспособность усваивать арабинозу). Перед началом эксперимента путём точечной мутации оперона Ara Ричард Ленски подготовил вариант Ara+ этого штамма, способный усваивать арабинозу.


Питательная среда

В эксперименте использовалась минимальная питательная среда Дэвиса с концентрацией глюкозы 25 мг/л. Эта среда обеспечивает в стационарной фазе плотность 50 млн бактерий/мл.

Состав питательной среды (на 500-миллилитровый флакон) следующий: в воде содержатся 10% Глюкоза (12,5 мг), 10 % Сульфат магния (0,25 мг), 0,2 % Тиамин (0,25 мг), а также Гидрофосфат калия (3,5 г), Дигидрофосфат калия (1,0 г), Сульфат аммония (0,5 г), Цитрат натрия (0,25 г ).

Следует отметить, что обычно бактерии E. coli не потребляют цитрат натрия, он используется только как хелатор железа.


Методика эксперимента

В начале эксперимента были созданы 12 популяций исходного штамма, для точной идентификации каждой популяции были задействованы генетические маркеры.

Каждая популяция размножалась в искусственной среде, где скорость размножения ограничивалась стрессовыми условиями (недостатком основного продукта питания — глюкозы).

Объём культуры составлял 10 мл. Культуры содержались в 50-миллилитровых конических колбах, свободно накрытых перевёрнутыми стеклянными стаканами. Инкубация происходила при температуре 37 °С и скорости вращения 120 об/мин.

Каждый день 0,1 мл содержимого каждой пробирки переносилось в пробирку с 9,9 мл свежей питательной среды, т.е. только 1 % бактерий продолжало размножение.

Каждое 500-е поколение (что соответствует интервалу в 75 дней) замораживалось в глицерине при температуре −80 °C, чтобы в будущем имелась возможность провести новое исследование.


Генетические исследования

По ходу эксперимента полностью секвенировался геном предкового штамма, а также геномы некоторых этапных поколений (поколения 2000, 5000, 10 000, 15 000, 20 000 и 40 000).

Поскольку размер генома E. coli составляет 4,6 млн нуклеотидных пар, то при наблюдаемой скорости мутаций (около 1000 замен нуклеотидных пар в день), каждая пара нуклеотидов в геноме за 20 лет заменяется в среднем более одного раза.

Полезность мутации определяется скоростью размножения их носителей. Повышенная скорость размножения позволяет мутировавшей бактерии вытеснять из популяции бактерии с отсутствующей мутацией. При этом мутация «фиксируется» и присутствует в геноме всех последующих поколений.

Вредные мутации действуют противоположным образом. Существуют также «нейтральные» мутации, которые не влияют на скорость размножения бактерий, так как возникают в незначимых участках генома. Эти мутации не фиксируются и не подавляются отбором и, таким образом, появляются и исчезают случайным образом.


Частота мутаций

Авторы разделяют эволюцию популяции на два этапа, граница между которыми примерно приходится на поколение 26 000.

При секвенировании генома одной из 12 популяций поколения 20 000 и сравнении его с геномом исходного штамма были обнаружены 45 фиксированных мутаций разного типа (замена нуклеотидов, вставки, замены, инверсии, встраивание мобильных элементов), из которых основная масса (29 мутаций) пришлась на однонуклеотидные замены.

Скорость накопления фиксированных мутаций в течение первого этапа эксперимента оставалась примерно постоянной. Неожиданным оказалось то, что приспособленность бактерий к среде, выражавшаяся в скорости размножения, до поколения 1500 росла очень быстро, затем её рост замедлился при прежней скорости фиксирования мутаций. Аналогичное увеличение скорости мутагенеза наблюдалось в трёх других популяциях из 12.

Картина эволюционных изменений кардинально изменилась после поколения 26 000. В этот момент произошла мутация в гене mutT, который кодирует белок, участвующий в репарации ДНК. В результате этого среднее число фиксированных мутаций резко возросло до 0,05 за поколение (по сравнению с 0,002 на первом этапе). Всего в поколениях 20 000—40 000 зафиксировалось 609 мутаций.

В других популяциях за первые 20 000 поколений произошло менее 100 фиксированных мутаций, из которых полезными были только от 10 до 20.


Изменения в метаболизме

В третьей из 12 популяций в момент, соответствующий поколению 33 127, было замечено сильное помутнение в колбе, что свидетельствует о высокой плотности бактерий. Подобный эффект обычно наблюдался при загрязнении культуры бактериями другого вида, потребляющими цитрат натрия. Поскольку концентрация цитрата натрия в среде (500 мг/л) в 20 раз превышает концентрацию глюкозы (25 мг/л), потребление цитрата обеспечивает значительно более высокую плотность клеток.

Неспособность питаться цитратами в кислородной среде является характерной особенностью E. coli. Тем не менее, исследование показало, что цитрат натрия потребляют именно мутантные бактерии E. coli (Cit+-бактерии). Проверка генетических маркеров, а также наличие мутаций pykF и nadR, характерных для предыдущих поколений, подтвердили, что бактерии Cit+ не привнесены извне, а являются мутировавшими особями исходного штамма.

Ретроспективное обследование замороженных образцов показало, что в поколении 31 000 бактерий Cit+ нет вообще, в поколении 31 500 они составляют 0,5 %, в поколениях 32 000 и 32 500 — 15 и 19 % соответственно. В поколении 33 000 Cit+ практически исчезают (1,1 %), однако в поколении 33 500 так же неожиданно отвоёвывают жизненное пространство и в последующих поколениях полностью доминируют. Исследователи объясняют это появлением между поколениями 33 000 и 33 500 некоторой пока не установленной мутации, которая в сочетании со способностью питаться цитратом обеспечило бактериям Cit+ эволюционное преимущество.

Была проверена гипотеза о том, что способность усваивать цитрат (хотя и менее эффективно, чем глюкозу) имелась у бактерий изначально, однако до возникновения сопутствующих мутаций это качество явно не проявлялось. Гипотеза не подтвердилась, так как бактерии до 31 000-го поколения оказались неспособны размножаться в среде без глюкозы.


Возникновение полиморфных сообществ

К 2017 году, когда эксперимент продолжался уже 29 лет, неожиданно обнаружилось, что в 9 популяциях из 12 произошла экологическая диверсификация. Исходная монокультура разделилась на отдельные популяции, которые продолжали эволюционировать отдельно, не вытесняя друг друга.

Первоначальной задачей эксперимента являлось наблюдение за эволюцией бактериального сообщества в предельно простых обстоятельствах — в постоянной среде, при наличии единственного источника пищи, без генетического обмена и экологического взаимодействия между организмами. Однако со временем произошло спонтанное усложнение популяции с появлением раздельных экологических ниш. Простейший пример такого рода разделения — образование двух микробных сообществ, каждое из которых имеет свой тип обмена веществ, где используются продукты жизнедеятельности другого сообщества. Впервые этот эффект замечен в 2014 году на одной из популяций, а к 2017 году обнаружен в 9 популяциях из 12. При этом продолжается обычная адаптивная эволюция, наблюдавшаяся во всех популяциях с самого начала эксперимента, однако теперь эта эволюция происходит не в масштабах популяции в целом, а в каждом из бактериальных сообществ.

В этих условиях скорость размножения бактерий как показатель степени приспособленности частично теряет смысл, так как приспособленность теперь зависит от эффективности взаимодействия с другими сообществами.

Было замечено, что на ранних и поздних этапах адаптации наиболее интенсивная фиксация мутаций происходила в разных генах. Этот феномен объясняется тремя факторами:

- Быстрее фиксируются мутации, сразу дающие заметный прирост приспособленности организма.
- Уже зафиксированные мутации меняют степень полезности других мутаций. Некоторые мутации становятся полезными только если предварительно сформировался определённый генетический контекст.
- С появлением в популяции отдельных бактериальных сообществ бактерии начинают приспосабливаться не к простой и стабильной среде, а к динамичному экологическому окружению.

Таким образом, эксперимент разрушил прежние представления об адаптации бесполой популяции к стабильным условиям среды. Вопреки ожиданиям, замедления адаптивной эволюции практически не происходит, а по достижении определённой степени приспособленности популяции к среде возникает спонтанное усложнение структуры популяции.

по материалом Википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0 ... 0%B5%D1%82.


= = видеоролик, говорит Ричард Ленски = =

по материалам видеоролика канала Veritasium (ведущий Дерек Маллер) www.youtube.com/watch?v=pfu2bmeA91s

0:10 – 0:30 известны эксперименты, когда за 11 дней эксперимента организмы бактерий приспосабливаются выживать в среде, где доза антибиотика в 1000 раз больше, чем была в изначальной среде, которая убивала их сородичей. Вот так выглядит эволюция!

… у бактерии кишечной палочки сменяется 6-7 поколений в сутки. В эксперименте уже сменилось 74500 поколений, что аналогично 1,5 млн. лет эволюции гоминид (человекообразных животных).

2:47 – 3:15 условия жизни бактерии в лаборатории очень не похожи на условия жизни в естественной среде: нет врагов, всегда есть пища, одинаковая температура и т.п. Единственный источник углерода для строительства тела бактерии – глюкоза. Глюкозы немного, иначе бы бактерии размножались в еще большем количестве.

5:20 – 6:30 бактерии малоизменчивы - одна мутация встречается только у каждой сотой или тысячной бактерии. У людей каждый ребенок несет 10-50 новых мутаций.

8:50 - как отличить предков от потомков? 6 популяций окрашены в красный цвет, и остальные 6 –в белый цвет.

9:55 - в новой среде происходит взрывной количественный рост более приспособленных организмов, который потом замедляется.

10:20 – 10:45 – в 2012 году одна из 12 популяций вдруг научилась поедать Цитрат (в качестве источника углерода). В естественной среде эти бактерии Цитратом вообще не питаются.

12:50 -13:05 – вопреки ожиданиями, количество бактерий уменьшилось, но сами бактерии стали крупнее.

6 из 12 популяций стали мутировать в 100 раз чаще, чем остальные. При этом, после первоначального резкого роста, со временем количество мутаций не вышло, как ожидалось, на плато, а продолжало медленно расти.

Было известно, что мир (природа) всё время меняется, и вместе с миром меняются все организмы. Эксперимент показал, что организмы меняются даже в неизменчивом мире, хотя и гораздо медленнее. Значит развитие не остановится даже в неизменной среде.


= = научный журнал Nature = =

Эксперимент по долгосрочной эволюции (LTEE) стал краеугольным камнем в эволюционной микробиологии, который исследователи продолжают проводить в поисках новых знаний. За 75 000 поколений бактерии добились огромных успехов в своей приспособленности - скорости роста по сравнению с другими бактериями - и развили некоторые удивительные черты.

24 февраля 1988 года эволюционный биолог Ричард Ленски из Мичиганского университета наполнил 12 колб сахаросодержащей культуральной средой и засеял каждую колбу Escherichia coli. В течение последних 34 лет Ленски и его коллеги ухаживали за культурами бактерий, ежедневно обновляя питательную среду и каждые пару месяцев замораживая образцы для дальнейшего изучения.

В мае 2022 года Ленски провел последний раунд эксперимента. 12 линий E.coli теперь заморожены в криозащитной среде и вскоре будут возрождены, чтобы начать новую жизнь в лаборатории Джеффри Баррика, эволюционного биолога из Техасского университета, который начал работать над экспериментом в 2000-х годах в качестве постдока в лаборатории Ленски.

Ричард Ленски: «Мне нравятся большие вопросы. Первоначальная цель была 2000 поколений. На самом деле этот эксперимент очень легко поддерживать. Объем работы для человека в обычный день составляет, может быть, полчаса. Все очень просто: мы работаем с химически определенной средой, мы можем замораживать штаммы и оживлять их, так что, я думаю, все должно продолжаться довольно гладко в новой лаборатории.

В ходе эксперимента я полагал, что все штаммы пойдут в совершенно разных направлениях. Я думал, что роль случайности и непредвиденных обстоятельств в эволюции будет больше, чем на самом деле. Но за эти годы мы увидели просто поразительную воспроизводимость. Так, хотя типичная линия улучшила свою относительную приспособленность по сравнению с предком на 70% или 80%, разброс в конкурентной приспособленности между большинством линий составляет всего несколько процентов. Таким образом, все они сильно выросли, но очень похожи друг на друга.

Но затем, с течением времени, мы стали наблюдать довольно поразительные расхождения между линиями. Через 30 тысяч поколений после начала эксперимента одна из 12 линий развила способность потреблять цитрат, а не только глюкозу. Это привлекло большое внимание и даже некоторую, скажем так, враждебность со стороны некоторых ученых, скептически относящихся к силе эволюции. И после 75 000 поколений это единственная из 12 линий, у которой развилась такая способность.

Одно из самых удивительных открытий для меня заключается в том, что эти E. coli находились в очень постоянной среде, но их геномы не очень сильно сократились. Я думаю, что часть проблемы сокращения генома заключается в том, что это медленный процесс. Тридцать лет и 75 000 поколений - это капля в эволюционном море. Поэтому я бы предположил, что если бы мы могли вернуться - через миллион лет или как угодно, - у бактерий, вероятно, геномы были бы чрезвычайно уменьшены. Это причина для продолжения работы.

Вероятно, самое важное, о чем моему последователю придется задуматься через 20 или 30 лет, - кто следующий?»

по материалам https://microbius.ru/news/legendarnyy-e ... novuyu-eru
Поделиться:

Аватара пользователя
Director
Эксперт
Баланс:18757
 
Сообщения: 1139
Регистрация: 20.06.2018

Re: Долгосрочный эксперимент по эволюции бактерии кишечной палочки

Director » 16.03.2023 11:21

+
7
-
Считаю нужным заострить внимание коллег на главную идею данного материала.

Итак, есть гипотеза
admin писал(а):
14.03.2023 09:13
Природа (её законы) неумолимо ведут к усложнению живых организмов.
Если эта гипотеза (т.е. догадка, предположение) является истиной, то что из этого следует? Что это значит?

Это, к примеру, значит, что человек (все организмы вида "человек разумный, гомо-сапиенс") непременно изменится.
И не просто изменится, а усложнится.
А, усложнившись, человек на этом не остановится - он продолжит усложняться.

И, в каком-то промежутке времени, накопленное количество изменений неизбежно перейдет в качество.

А это значит, что возникнет новый вид человека. Это будет уже НЕ гомо-сапиенс.

У нас естественно возникает вопрос: А что станет с человеком нынешнего вида? Что с ним (с нами) произойдет и куда он (мы нынешние) денемся?

Ответ:
Во-первых, мы, нынешние организмы, до того времени не доживем.
Но доживут наши потомки.

( Если чьи-то потомки не доживут, - что в Природе происходит сплошь и рядом, - то вопрос "Что будет с нами?" получает четкий ответ: "С вами ничего не будет, ибо вас просто не будет".

Если же чьи-то потомки доживут, - а мы этого хотим, иначе смотри предложение выше, - то смотри абзац ниже.)

Во-вторых, потомки нынешних людей разделятся на два или больше разных видов.
Один вид станет более сложным и займет доминирующее положение в окружающей среде самого большего размера.

Другой вид (а может их будет два-три вида) будет подчиненным (зависимым от доминирующего вида) и станет приспособленным к выживанию в среде гораздо меньшего размера.

Неужели это произойдет?! - Да, неизбежно произойдет если таков закон Природы.

А если закон не таков? - Тогда не произойдет.

Но как убедиться, что закон именно таков - что живые организмы неизбежно усложняются?

Со 100%-ной гарантией никак! Только жизнь решает.

С высокой степенью вероятности можно только предсказать "как будет" - это можно сделать только на основе экспериментов и правильной интерпретации их результатов.

Разумные люди научились довольно неплохо проводить эксперименты, правда, результаты интерпретируют далеко не так хорошо.

Итак, изучайте прекрасный эксперимент, в котором вид живого организма прожил несколько тысяч поколений в весьма благоприятной окружающей среде, и что из этого вышло.

Проведите собственную интерпретацию результатов эксперимента и сделайте собственные выводы для себя и своих потомков.

Ну или не делайте и живите себе с богом.
...гипотезу подтверждает уникальный эксперимент, в процессе которого простейшая бактерия сумела усложнить собственный организм даже в условиях обитания в благоприятнейшей окружающей среде, а также сумела разделиться на два вида (сообщества).

Аватара пользователя
MoonBear
Участник
Баланс:11252
 
Сообщения: 533
Регистрация: 02.06.2020

Re: Долгосрочный эксперимент по эволюции бактерии кишечной палочки

MoonBear » 22.03.2023 19:59

+
6
-
Как мы не раз говорили, эволюция, это не смерть с косой, которая с одной ей свойственной внимательностью и любопытством пристально приглядывает за живыми существами, проводя прореживание не попавших под ее представления о каком-то неведомом будущем. Все проще: присущая изменчивость любых живых существ и все многообразие факторов, с их невероятной комбинаторикой, окружающей среды и над всем царит ее величество – конкуренция.

Если, в дальние времена факторы окружающей среды были просты, малочисленны и не требовали невероятных изменений организма, то на последующих этапах возникли новые условия. Например, прямая зависимость от физических параметров: пища, температура, давление, смена дня и ночи, т.п. все более и более, начали зависеть от себе подобных, желающих наилучшим образом вписаться в твою нишу.

Усложнение организмов стало процессом неизбежным, поскольку, более функциональная модель всегда вырвет кусок послаще, и не факт, что не из твоего бока. А тут еще катаклизмы природные, глобального масштаба, каждый раз, почти обнулив биоту, вновь освобождают ниши жизненного пространства, запуская очередной виток гонки: кто успел – тот и съел.

Хотя, стоит заметить, не все идет к усложнению, отсутствие конкуренции и благоприятная среда обитания, нередко приводили к обратному – виды, попавшие с подобные условия, деградировали: переставали летать, быстро бегать или лишались каких-либо других важных функций. Взять черных курильщиков и окружающих бином, все, плавающее, ползающее и слегка шевелящееся в нем – животные крайне примитивные, но, на их смену не нашлось никого более сложносочинённого. Скорее наоборот, попав туда, произошла деградация основных функций и рост одной, двух.

Кстати, и человек не избежал участи измельчать, поглупеть, а потом и вовсе сгинуть, встретившись со своим более ловким собратом. На берегах Индийского океана находят остатки наших родственников, исчезнувших совсем недавно. В условиях мирной растительной жизни они растеряли половину мозга, но получили рос меньше метра. Если бы не хомо сапиенс, жили бы и сейчас.

А вот сейчас стоит поговорить именно о человеке, который внес в процесс эволюции новый фактор – интеллект, т.е. способность к разумной рефлексии окружающего мира на основании логических рассуждений. Что и позволило целенаправленно менять все, подстраивая и создавая наилучшие условия обитания, естественно, в ущерб остальным, в том числе, и за счет других людей, у которых палка оказалась не столь тяжелой, в отличие скорости мыслительных процессов.

Оказалось, человечество пришло к уникальной ситуации – наша дальнейшая эволюция, в большей степени, будет зависеть от фактора интеллекта. Другими словами, как мы на его основании сможем сформировать социальную среду. Здесь, как видится, только два пути:

- люди доведут до логического завершения доставшийся от природы инстинкт размножения в виде передачи генной информации потомству (образ физического бессмертия), с гарантией его дальнейшего выживания. Ничего подобного в природе нет, родители ничего не могут сделать для детей, кроме раннего возраста. У человека же, с формированием института частной собственности, возникла возможность обеспечить не только внуков, но и дальних правнуков, причем, исключительно за блага других, снижая их статус. Следуя этим путем, человечество неизбежно разделится на несколько рас и это не фантазии, а принцип работы эволюционного механизма.

- люди, на каком-то этапе, смогут пережить эту эволюционную вилку и, сохранившись, организуют социальное общежитие на новых принципах. Пока этого не заметно, скорее, идет лихорадочный бег по первому пути.

Ответить
   ПОМОЩЬ по форуму!