Британские и американские исследователи создали математическую модель эволюции бактерий и выяснили, как живые существа могут ускользать от действия конкурентного исключения при жизни в однородной среде. Работа, опубликованная в журнале Nature, показывает, что биоразнообразие может поддерживаться и развиваться в таких условиях, где это прежде считалось невозможным.

Согласно общепринятым представлениям о дарвиновском естественном отборе, в любых условиях должны выживать существа с оптимальными признаками. Носители менее удачных вариантов генов будут оставлять меньше потомства и в конечном счёте вымрут. Это относится не только к внутривидовой, но и к межвидовой конкуренции. «Принцип конкурентного исключения», одно из центральных понятий экологии, гласит, что при конкуренции двух видов за одну экологическую нишу, если им не удастся измениться и поделить источники ресурсов, один из видов обречён на вымирание.

Но в природе существует огромное биологическое разнообразие. Мы можем видеть, что в популяциях сохраняются «менее успешные» гены, а в экологических нишах – «менее успешные» виды. Это, конечно, связано с неоднородностью условий на планете: экологических ниш много, и практически каждый вид находит себе среду обитания. Кроме того, считается, что биоразнообразию способствует недостаточное давление отбора, позволяющее существовать и менее приспособленным организмам. К тому же «идеально приспособленных» видов не бывает, всегда остаётся возможность соревнования. У всех видов возникают новые мутации, которые могут менять расстановку сил.

Британские и американские исследователи создали математическую модель эволюции бактерий и выяснили, как живые существа могут ускользать от действия конкурентного исключения при жизни в однородной среде. Работа, опубликованная в журнале Nature, показывает, что биоразнообразие может поддерживаться и развиваться в таких условиях, где это прежде считалось невозможным.

Экспериментальные исследования эволюции бактерий проводились и раньше.

«Микробиологи создали в лаборатории простую гомогенную среду и исследовали принцип конкурентного исключения – смотрели, что произойдет спустя сотни поколений бактериальной эволюции (порядка 3000 лет в пересчёте на человеческое время). Предполагалось, что уже за это время в среде останутся только наиболее приспособленные геномы. Но неожиданно мы получили огромное генетическое разнообразие», – рассказывает первый автор новой работы, профессор Универстиета Икситера Роберт Бидмор (Robert Beadmore). Его слова приводит портал EurekAlert.

Это наблюдение породило большие споры, и в конце концов его объяснили недостаточной длительностью эксперимента, не позволившей выявить явного победителя. Но дальнейший анализ данных показал, что полученный результат не связан с несовершенством экспериментальной процедуры. Опираясь на эмпирические данные, учёные построили математическую модель, учитывающую разные скорости мутагенеза и разное давление отбора, и просчитали результаты длительной эволюции в гомогенных условиях обитания. Выяснилось, что при низком уровне появления мутаций действительно «выживает сильнейший» – гены, обеспечивающие преимущество, быстро распространяются в популяции, а невыгодные варианты практически исчезают. Но при высоком уровне мутаций всё происходит иначе – в популяции поддерживается высокое генетическое разнообразие, и гордое звание «самого приспособленного» никто не удерживает долго. При определённом уровне мутаций наблюдается «переходная зона», в которой возможно длительное сосуществование более приспособленных и менее приспособленных геномов.

Соавтор работы Ивана Гуделж (Ivana Gudelj) поясняет, что приспособленные существа способны эффективно использовать источник пищи, но любая новая мутация может нарушить их конкурентное преимущество. Для менее эффективных потребителей ущерб от «вредной» мутации будет меньше, а «благоприятная» мутация может поменять расстановку сил в их пользу. Соответственно, если скорость мутагенеза в данных условиях невысока, будет выживать самый эффективный потребитель. При высокой скорости полезнее иметь менее приспособленный геном, не настолько чувствительный к мутациям. А если «наиболее приспособленный» организм всё время рискует утратить своё лидерство – и не только из-за изменений среды, но и в результате случайного нарушения собственного генома – ему, как правило, не удаётся окончательно вытеснить конкурентов, и в природе сохраняется широкое разнообразие.

Первоисточник информации:

Robert E. Beardmore, Ivana Gudelj, David A. Lipson, Laurence D. Hurst Metabolic trade-offs and the maintenance of the fittest and the flattest. – Nature. – 27 March 2011 doi:0.1038/nature09905.