Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.967 RSS
  Май 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
22.05.2006
06:54:21
17:08:35
23
23.05.2006
05:36:43
14:30:30
24
24.05.2006
05:30:51
15:31:14
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.967 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации


Конкурс ответов на детские вопросы. Участвовать могут все. Главный приз — цифровой фотоаппарат.

Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации

25.05.2006

Плодовые тела, образованные бактериями Myxococcus xanthus (фото с сайта www.umanitoba.ca)
Плодовые тела, образованные бактериями Myxococcus xanthus (фото с сайта www.umanitoba.ca)

В экспериментах по искусственной эволюции удалось зарегистрировать мутацию, в результате которой бактерии Myxococcus xanthus приобрели сразу два полезных свойства: способность к сложному коллективному поведению (образованию плодовых тел) и защищенность от паразитов. Мутация состояла в замене одного нуклеотида в регуляторной области гена, предположительно участвующего в регуляции активности других генов.

Подавляющее большинство организмов, населяющих нашу планету, не могут существовать автономно: для выживания им необходимы другие живые существа. Связи между разными видами организмов сильно различаются по степени жесткости и детерминированности. Наиболее жесткие связи характерны для облигатных (обязательных) симбионтов и паразитов, которые не могут существовать без своих сожителей или хозяев, относящихся к другому или тому же самому виду.

Чрезвычайно широко распространен симбиоз (и такие связанные с ним явления, как альтруизм, самопожертвование и сложное коллективное поведение) в мире бактерий. Хотя генетика микроорганизмов очень активно изучается (полностью прочтены геномы многих сотен микробов), генетические и эволюционные механизмы становления (или исчезновения) подобных взаимосвязей остаются во многом загадочными.

Ученые из Института биологии развития им. Макса Планка (Тюбинген, Германия) на примере почвенной бактерии Myxococcus xanthus показали, что радикальные изменения коллективного поведения и межорганизменных взаимосвязей могут происходить в результате весьма незначительных модификаций генома.

Myxococcus — типичный представитель миксобактерий, прокариотических организмов, которых когда-то считали грибами и называли миксомицетами. Миксобактериям свойственно весьма сложное коллективное поведение. Например, они иногда собираются в большие скопления и устраивают коллективную «охоту» на других микробов. «Охотники» выделяют токсины, убивающие «добычу», а затем всасывают органические вещества, высвободившиеся при распаде погибших клеток.

Как и другие миксобактерии, Myxococcus при недостатке пищи образует плодовые тела, в которых часть бактерий превращается в споры. В виде спор микробы могут пережить голодные времена. Плодовое тело «собирается» из огромного множества индивидуальных бактериальных клеток. Создание такой крупной и сложной многоклеточной структуры требует слаженных действий миллионов отдельных бактерий, из которых лишь малая часть получает прямую выгоду, а все остальные, по сути дела, жертвуют собой ради общего блага. Дело в том, что лишь очень немногие из участников коллективного действа смогут превратиться в споры и передать свои гены следующим поколениям. Все остальные выступают в роли «стройматериала», обреченного умереть, не оставив потомства.

Человек — животное социальное, и поэтому альтруизм всегда вызывает у нас чувство бурного одобрения (по крайней мере на словах), но он, однако, имеет и оборотную сторону. Там, где много альтруистов, обязательно заводятся какие-нибудь жулики, обманщики и паразиты, которые рады поживиться за чужой счет, хотя сами ничем для других жертвовать не собираются. Среди миксококков такие обманщики тоже имеются: это генетические линии (или штаммы) миксококков, не способные к образованию собственных плодовых тел, но умеющие пристраиваться к «чужим» плодовым телам и образовывать там свои споры.

Один из таких штаммов (исследователи назвали его OC, от obligate cheater — «облигатный обманщик») не способен образовывать споры в монокультуре, однако он успешно внедряется в чужие плодовые тела и спорулирует там даже с большей эффективностью, чем «альтруистический» штамм-хозяин, построивший плодовое тело.

Ученые экспериментировали с этой системой «паразит—хозяин», выращивая смешанную культуру альтруистов и обманщиков попеременно то в «голодной», то в богатой питательными веществами среде и следя за колебаниями численности двух штаммов. Во время голодовок выжить могли только те бактерии, которым удалось превратиться в споры. В одном из опытов в штамме OC произошла мутация, в результате которой бактерии не только восстановили утраченную способность к самостоятельному (без «помощи» другого штамма) образованию плодовых тел и спор, но и получили дополнительное преимущество. По не вполне ясным причинам мутантные бактерии оказались защищены от «нахлебников» — представителей штамма ОС, своих прямых предков.

Возникший в результате мутации новый штамм получил условное название PX (от phoenix — «феникс»). Этот штамм появился и быстро размножился как раз тот момент, когда почти все бактерии в экспериментальной культуре (исходный «дикий» штамм и паразиты ОС) погибли. Деградация смешанной культуры была вызвана тем, что с каждым экспериментальным циклом доля паразитов неуклонно росла, и в конце концов альтруистов — представителей исходного «дикого» штамма — осталось слишком мало, чтобы обеспечить себя и других плодовыми телами.

Штамм PX, как выяснилось, побеждает в конкурентном соревновании и «диких» миксококков, и паразитов ОС. Он не нуждается для образования плодовых тел в других штаммах и защищен от паразитизма.

Генетический анализ исследованных штаммов показал, что PX отличается от своего прямого предка OC единственной мутацией — заменой нуклеотида в некодирующей (вероятно, регуляторной) области гена фермента ацетилтрансферазы. Всего в геноме миксококка более 30 генов различных ацетилтрансфераз (так называются ферменты, прикрепляющие к каким-либо молекулам ацетильную группу –CO–CH3), и конкретная функция той из них, ген которой изменился у штамма PX, неизвестна. Некоторые косвенные данные, однако, указывают на возможную регуляторную роль этого фермента. Не исключено, что он влияет на активность каких-то транскрипционных факторов — белков, регулирующих активность генов. Действительно, активность целого ряда генов у PX сильно изменилась по сравнению с OC.

Паразитический штамм ОС произошел от исходного «дикого» штамма в результате 14 мутаций, причем все они сохранились у PX. Таким образом, удивительная мутация, резко повысившая конкурентоспособность бактерий штамма PX, вовсе не была возвратом к исходному, предковому состоянию: это было настоящее эволюционное новообразование.

Данный пример еще раз подтверждает идею, которая в последнее время стала уже практически общепризнанной: небольшие изменения регуляторных генов могут приводить к крупным эволюционным преобразованиям, в том числе к появлению новых свойств и функций и к общему усложнению живой системы.

Источник: Francesca Fiegna, Yuen-Tsu N. Yu, Supriya V. Kadam, Gregory J. Velicer. Evolution of an obligate social cheater to a superior cooperator // Nature. 2006. V. 441. P. 310-314.

См. также:
Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть («Элементы», 27.02.2006).

Транскрипционные факторы — это белки, регулирующие активность генов. Транскрипционные факторы прикрепляются к особым регуляторным участкам генов. Об эволюционной роли транскрипционных факторов и регуляторных участков генов см.:
«Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков («Элементы», 25.04.2006).
Эндорфины сделали нас людьми? («Элементы», 29.11.2005).
Эволюция человека сопровождалась изменением активности генов-регуляторов («Элементы», 13.03.2006).
Чтобы дикий рис превратился в культурный, хватило единственной мутации («Элементы», 7.04.2006).

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 
Только на «Элементах»: лекция нобелевского лауреата Дэвида Гросса Грядущие революции в фундаментальной физике

Предыдущие новости

24.05 Открыты трехмерные солитоны

После тридцатилетнего поиска найдены нелинейные дифференциальные уравнения, обладающие трехмерными солитонными решениями. Ключевой стала идея «комплексификации» времени, которая может найти дальнейшие приложения в теоретической физике.

24.05 После удаления 15% генов бактерии становятся совсем ручными

Кишечная палочка E.coli — излюбленный объект генных инженеров, используемый в качестве универсальной биохимической фабрики. После долгих лет работы наконец удалось вывести породу кишечной палочки, практически лишенную способности сопротивляться их манипуляциям. Для этого у бактерий было удалено 15% генома.

23.05 Чтобы жить, глубоководные черви заражаются полезными бактериями

Глубоководные черви вестиментиферы могут существовать только в симбиозе с автотрофными бактериями. Считалось, что личинки вестиментифер, изначально лишенные бактерий, заглатывают их с пищей. Однако новое исследование показало, что симбиотические бактерии внедряются в личинку непосредственно через кожу, напоминая процесс заражения патогенными микроорганизмами.

22.05 Одна из причин старения может быть устранена

Американские ученые обнаружили, что белок ламин А играет важную роль в старении не только у больных прогерией (преждевременным старением), но и у здоровых людей, и разработали метод, позволяющий устранить некоторые симптомы старения. К сожалению, этот метод пока применим только для отдельных клеток, но не для целого организма.

22.05 Когда нельзя выбирать самцов, можно выбрать детей

Самки большинства видов животных активно выбирают самцов, руководствуясь, к примеру, размером хвоста или песней и окраской. Однако в определенных случаях самка может сделать выбор уже после оплодотворения, инвестируя в потомство разное количество энергии в зависимости от «качества» самца. Такой скрытый выбор самок был изучен на примере европейского пресноводного рака.

22.05 «Хоббиты» с острова Флорес не были микроцефалами

Новые анатомические данные подтверждают, что ископаемые карликовые гоминиды, обнаруженные в 2004 году на острове Флорес, — это особый вид людей, а вовсе не уроды-микроцефалы, как считают некоторые скептически настроенные ученые.

21.05 Мартышки произносят фразы из двух слов

Большие белоносые мартышки, предупреждая сородичей о приближении хищников, иногда используют простейшую фразу из двух звуковых сигналов pyow—hack («леопард—орел»), смысл которой отличен от простого суммирования смыслов двух составляющих ее слов. Исследователи видят в этом первый шаг на пути развития синтаксиса.

19.05 Прожить в озере, не питаясь едой с суши, нельзя

Суммарное дыхание всех организмов водоема превышает первичную продукцию, а значит, озера получают «субсидию» от суши в виде готового органического вещества. В этом американские и шведские ученые убедились, проследив, как вещество, синтезированное озерным фитопланктоном, используется в пищевых цепях экосистемы.

17.05 Война — естественное проявление коллективизма?

Военные рейды с целью запугивания или убийства иноплеменников характерны не только для людей и их ближайших родственников шимпанзе, как считалось ранее, но и для паукообразных обезьян, обитающих в лесах Центральной Америки. Правда, в отличие от шимпанзе и людей, ни в одном из семи зарегистрированных рейдов дело у них не доходило до убийства.
В избранное