Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.953 RSS
←   Декабрь 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
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

12.953 подписчиков
+3 за неделю
←   Все выпуски   →

Современные паразиты опаснее прошлых и будущих


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Современные паразиты опаснее прошлых и будущих

12.12.2007

Рачок Daphnia magna — обычный обитатель пресных водоемов (фото с сайта www.atelier-biologie-llg.org)
Рачок Daphnia magna — обычный обитатель пресных водоемов (фото с сайта www.atelier-biologie-llg.org)

В системе «паразит—хозяин» теоретически должна происходить эволюционная «гонка вооружений», в ходе которой хозяин постоянно меняет средства защиты, а паразит — средства нападения. Биологи из Бельгии, Швейцарии и Франции проверили эту идею на рачках-дафниях и бактериях Pasteuria, которые на протяжении 30 лет коэволюционировали в небольшом пруду. Летопись генетических изменений обеих популяций сохранилась в донных отложениях водоема в виде покоящихся, но вполне жизнеспособных яиц рачков и спор бактерий. В полном соответствии с теорией, самыми опасными для дафний оказались современные им паразиты, тогда как «прошлые» и «будущие» популяции бактерий заражали рачков с меньшей эффективностью.

Изучать эволюцию в режиме «реального времени», да к тому же не в лаборатории, а в природе — дело очень трудное. Ведь для этого нужно наблюдать за природными популяциями в течение сотен поколений. Попробуйте-ка получить грант на исследование, если первые результаты ожидаются лишь спустя десятилетия!

Главной задачей исследователя в этой ситуации становится поиск подходящего природного объекта, позволяющего радикально ускорить получение результата. Для изучения микроэволюционных процессов в системе «паразит—хозяин» замечательным объектом являются пресноводные рачки дафнии и их паразиты — бактерии Pasteuria ramosa. Главное достоинство этой модельной системы состоит в том, что оба ее участника имеют покоящиеся стадии (пропагулы), которые сохраняются в донных отложениях и остаются жизнеспособными в течение многих десятилетий. Извлекая яйца рачков и споры бактерий из последовательных слоев донных осадков, можно восстановить генетическую историю популяций.

Биологи из Бельгии, Швейцарии и Франции опубликовали в последнем номере журнала Nature результаты сравнительного изучения дафний и их паразитов из последовательных слоев донных отложений, образовавшихся в маленьком бельгийском пруду за 30 лет. Толща осадка была условно поделена на 8 слоев толщиной по 2 см. Каждый такой слой образовывался в течение 2–4 лет, что примерно соответствует 10–20 поколениям дафний.

Из каждого слоя были выделены и «оживлены» яйца дафний и споры бактерий. Затем оценивалась инфекционность (заразность) бактерий по отношению к дафниям из разных слоев. Воскрешенные популяции дафний из каждого слоя делили на три группы и пытались заразить бактериями из того же, предыдущего и последующего слоя. Таким образом, оценивались взаимоотношения рачков с «современными», «прошлыми» и «будущими» паразитами.

Оказалось, что наибольшая инфекционность (65% зараженных рачков) характерна для «современных» паразитов, значительно меньшая — для «будущих» (57%) и «прошлых» (55%). Именно такой результат и следовало ожидать на основе имеющихся теоретических представлений об эволюционной «гонке вооружений». Попробуем разобраться, почему.

Ранее было установлено, что устойчивость дафний к тем или иным штаммам бактерии Pasteuria ramosa предопределена генетически. У дафний имеется некий не очень большой набор генов, определяющих устойчивость к паразиту, причем каждый ген существует в виде нескольких вариантов (аллелей). Точно число этих генов и аллелей неизвестно, однако установлено, что в зависимости от конкретной комбинации аллелей рачок оказывается более или менее устойчивым к данному штамму бактерии. Популяция бактерий, со своей стороны, тоже генетически разнородна, причем разные линии (штаммы) паразита характеризуются разной инфекционностью по отношению к разным генетическим вариантам хозяина.

Возьмем простейший случай: допустим, что существует всего два генетических варианта дафний (А и Б) и всего две разновидности бактерий (А1 и Б1). Предположим, что бактерия А1 эффективно заражает дафний А, но не может заразить дафний Б, а бактерии Б1, напротив, успешно расправляются только с дафниями Б.

Допустим, исходно в пруду преобладали дафнии А. Но вот в пруд попадают бактерии-паразиты А1 и Б1. Первый из этих штаммов начинает быстро размножаться, поскольку для него имеется много «пищи» — дафний А. Складывается популяция бактерий с преобладанием варианта А1. Именно такая популяция бактерий наиболее опасна для тех дафний, которые сейчас живут в пруду, поскольку среди них преобладает вариант А, уязвимый для доминирующей разновидности паразита.

Известно, что бактерии Pasteuria снижают плодовитость зараженных дафний. Таким образом, под действием бактериальной инфекции в популяции дафний начинается естественный отбор: дафнии Б будут оставлять больше потомства, чем дафнии А. В результате через несколько поколений форма Б становится преобладающей среди дафний. Тем самым популяция дафний, по сути дела, приспособилась к инфекции. Для большинства дафний теперь не опасен наиболее массовый штамм бактерии (А1).

Но радоваться дафниям недолго. Произошедшие изменения в структуре популяции хозяев немедленно меняют вектор отбора, действующий на бактерий: теперь преимущество получают бактерии Б1, а доля бактерий А1 начинает снижаться. У бактерий смена поколений происходит гораздо быстрее, чем у дафний, и поэтому за очень небольшой отрезок времени популяция бактерий приобретает структуру, наиболее опасную для нынешней популяции дафний: теперь среди бактерий преобладает форма Б1, и дафниям приходится снова «приспосабливаться», то есть возвращаться в исходное состояние (когда преобладала форма А).

Таким образом, в системе будут происходить периодические колебания частот аллелей — бесконечное микроэволюционное состязание, напоминающее не столько гонку вооружений, сколько бег на месте. Несмотря на постоянно идущие быстрые изменения частот аллелей, суммарный итог этой борьбы скорее всего сведется к тому, что в каждый момент времени степень зараженности дафний и средняя инфекционность бактерий будут оставаться примерно одинаковыми, так что при поверхностном наблюдении может показаться, что система пребывает в состоянии полного покоя.

Следует помнить, что мы рассмотрели предельно упрощенный случай. В действительности генетических вариантов и у дафний, и у бактерий существует намного больше; могут появляться и новые варианты в результате мутаций, а у дафний существует еще и такая полезная вещь, как половое размножение, позволяющее резко увеличить генетическое разнообразие потомства. Дафнии, как известно, чередуют половое размножение с бесполым (партеногенетическим). В периоды партеногенетического размножения каждая самка производит потомство, генетически идентичное ей самой. В такие периоды паразитам намного легче «угнаться» за эволюционными изменениями хозяев. Ведь во время партеногенетического размножения эти изменения сводятся всего лишь к колебаниям частот уже имеющихся генетических комбинаций и редким мутациям. Переход к половому размножению означает внезапную перетасовку генетического материала хозяев. При этом возникает множество ! новых комбинаций аллелей, к которым паразиты еще не имели возможности приспособиться. Кстати, некоторые ученые предполагают, что само появление полового размножения на заре эволюции эукариот могло быть простимулировано именно такими «эволюционными гонками» в системах «паразит—хозяин».

Однако методика, использованная авторами обсуждаемой статьи, не позволяет проследить эволюционное соревнование во всех деталях, поскольку каждый исследованный слой осадка содержит «обобщенную» информацию за период длительностью в 2–4 года. За это время дафнии успевают несколько раз перейти от бесполого размножения к половому и обратно. По той же причине не удалось зафиксировать и фазовый сдвиг, который непременно должен присутствовать в циклической эволюционной динамике паразитов и хозяев. Бактерии, конечно, приспосабливаются к изменению частот аллелей у дафний очень быстро, но всё же не мгновенно. Поэтому, если бы была возможность проследить процесс поколение за поколением, то скорее всего можно было бы увидеть, что настройка параметров инфекционности у бактерий чуть-чуть отстает от настройки параметров защиты у дафний.

Иными словами, самыми опасными для дафний по идее должны являться не современные им популяции паразитов, а те, которые возникнут в недалеком будущем. Но, поскольку в данном исследовании фактически усреднялись данные за 10–20 поколений дафний, этот сдвиг зарегистрировать не удалось, и получилось, что самыми инфекционными являются «современные» популяции паразитов.

Возможность эволюционных «гонок на месте» впервые предположил в 1970-е годы американский палеонтолог Ли Ван Вален (Leigh M. Van Valen). Он назвал свою модель «гипотезой Черной Королевы» (The Red Queen Hypothesis). Имеется в виду персонаж из «Алисы в Зазеркалье» — Черная Королева, которая бежала со всех ног только для того, чтобы остаться на месте. (Для знатоков английского нужно пояснить, что в сказке Льюиса Кэрролла речь идет о шахматных фигурах, которые у нас — белые и черные, а у них — белые и красные, почему и приходится «Red Queen» переводить как «Черная Королева».)

Ван Вален хотел объяснить, почему вероятность вымирания видов не снижается с возрастом. Казалось бы, в результате естественного отбора «приспособленность» вида должна всё время повышаться, и поэтому старые виды должны быть более «приспособленными», чем молодые. Но это не подтверждается палеонтологическими данными. Ван Вален предположил, что почти все силы у эволюционирующего вида расходуются на то, чтобы угнаться за постоянно меняющейся внешней средой (в том числе за эволюцией других видов, с которыми данный вид взаимодействует). Вид всё время приспосабливается к среде, но из-за переменчивости условий его итоговая приспособленность в лучшем случае остается постоянной — вот и получается «бег на месте».

Гипотеза Ван Валена приобрела широкую популярность среди биологов самых разных специальностей, однако прямых экспериментальных подтверждений у нее пока немного. Поэтому данное исследование вносит весомый вклад в теоретическую биологию.

Источник: Ellen Decaestecker et al. Host–parasite 'Red Queen' dynamics archived in pond sediment // Nature. 2007. V. 450. P. 870–873.

См. также о пропагулах:
Хитрые покровы спасают эмбрионы от яда (синопсис к статье А. В. Макрушина, И. В. Лянгузовой «Оболочка пропагул беспозвоночных и растений: избирательная проницаемость и барьерные свойства» // Журн. общей биологии. Том 67. 2006. № 2. Стр. 120–126).

О дафниях:
1) Устойчивое существование популяции обеспечивается негенетической «памятью поколений», «Элементы», 03.07.2007.
2) Размножаться лучше на сытый желудок, «Элементы», 30.03.2006.

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

11.12 Земля 600–800 миллионов лет назад: не сплошной лед, но слякоть

Каким образом жизнь на Земле смогла сохраниться во время чудовищных похолоданий, несколько раз охватывавших нашу планету 600–800 миллионов лет назад. Модель, предложенная канадскими исследователями, показывает, что океан, по-видимому, никогда не замерзал полностью, а Земля представляла собой не ледяной шар, а «слякотный».
В избранное