Эволюционный эксперимент с бактериями ставит под сомнение представления о размере и стоимости производства
В 1988 году биолог Ричард Ленски из Университета штата Мичиган создал 12 колб с E. coli, и его группа с тех пор поддерживает и отслеживает их эволюцию. Периодически образцы замораживаются, что позволяет учёным сравнивать бактерии в разные моменты времени, возвращая их к жизни.
Со временем эволюционирующие E. coli стали крупнее; через 60 000 поколений клетки примерно вдвое больше своих предков. Но сопровождалось ли это увеличение размера ожидаемыми изменениями в метаболизме, численности и скорости роста популяции?
Исследователи из Центра геометрической биологии Университета Монаша сотрудничали с Ричардом Ленски, чтобы выяснить это. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Метаболизм определяет скорость, с которой организмы преобразуют энергию в поддержание жизнедеятельности и производство биомассы.
Хотя у более крупных видов метаболизм выше, они эффективнее, поэтому их удельная скорость метаболизма (относительно размера) ниже. Таким образом, хотя у мелких видов плотность популяции выше и они быстрее её достигают, общая биомасса популяции больше у крупных видов (вспомните мышей и слонов).
Но справедливо ли это внутри вида?
Часто диапазон размеров внутри вида невелик, что затрудняет проверку гипотез.
«Линии Ленски» решают эту проблему. Лаборатория Ричарда предоставила замороженные образцы исходной E. coli — предков, а также образцы после 10 000 и 60 000 поколений эволюции.
Руководители проекта из Школы биологических наук Университета Монаша, профессор Дастин Маршалл и доктор Майк Макдональд, занялись оживлением клеток и измерением их размера, метаболизма, численности популяции и скорости её роста.
«Мы обнаружили, что по мере увеличения клеток в ходе эволюции скорость метаболизма росла, но была ниже относительно их размера, как и предсказывает теория», — сказал профессор Маршалл.
«Также в соответствии с теорией, популяции более крупных клеток имели меньшую плотность, но большую общую биомассу, чем их мелкие предки».
«Большим сюрпризом, в stark contrast to theory, стало то, что популяции более крупных клеток, несмотря на их относительно более низкий метаболизм, росли быстрее, чем популяции мелких клеток».
Доктор Макдональд отметил, что часто предполагается, что энергия, необходимая для производства новой особи, прямо пропорциональна её массе, но эксперимент показал, что это не обязательно так.
«Почему тогда более крупная клетка может быть дешевле в производстве и обслуживании?»
Клетки E. coli тратят много энергии на поддержание ионных градиентов через клеточные мембраны. Поскольку у более крупных клеток площадь поверхности относительно массы меньше, их затраты на поддержание жизнедеятельности также должны быть ниже, чем у мелких клеток. У эволюционировавших клеток также немного меньше геном, поэтому затраты на его репликацию ниже для более крупных клеток.
Кроме того, эволюционировавшие клетки «настроили» свои генетические компоненты в этой высокопредсказуемой среде, снизив затратную экспрессию ненужных транскриптов и белков.
«Примечательно, что, похоже, эволюция может развязать затраты на производство от размера; для более крупных эволюционировавших клеток нет компромисса между скоростью роста и итоговым выходом биомассы», — сказал доктор Макдональд.