Когда одноклеточные водоросли хлорелла (Chlorеlla variablis) и смертельный для них контрагент хлоровирус борются, происходит примерно следующее: после повторенных циклов истощения и восстановления большинство водорослей становится резистентными к патогену.
Исследователи из Института эволюционной биологии имени Макса Планка в Плене говорят: при одинаковых стартовых условиях эволюционные процессы происходят аналогично и приводят к возникновению одинаковых свойств. Но не в геноме: в каждом случае водоросли, что выработали резистентность, оказывались носителями разных генов. Так ученые продемонстрировали, что эволюция одинаковых свойств может происходить параллельно, даже если гены, лежащие в их основе, развиваются по-разному.
В своих экспериментах ученые расселили популяцию генетически идентичных Chlorеlla variablis в много сосудов для выращивания клеточных культур и наблюдали за ними в течение 90 дней. Три из популяций ученые инфицировали хлоровирусом PBCV-1, другие же размножались без «антагониста» и выполняли роль материала для сравнения.
В этом варианте опытов происходила лишь одна эволюционная «гонка вооружений», когда у водоролей и паразитов производились все новые механизмы защиты и нападения. Хозяин и паразит проходили так называемую коэволюцию.
При этом было бы не удивительно, если бы эволюция в каждой колонии проходила по-другому. Из предыдущих исследований ученые уже знали, что маленькая популяция Chlorеlla variablis самостоятельно размножается до тех пор, пока не достигнет максимальной плотности, которую вмещает ее жизненное пространство. Совсем иначе происходит с популяцией, которая должна сдерживать вирус и с ним коэволюционировать.
«После резкого увеличения в течение первых 15 дней, количество водорослей существенно уменьшалось. Параллельно с этим количество вирусов значительно возрастало», – пояснил Лютц Бекс (Lutz Becks) из Института эволюционной биологии имени Макса Планка.
После повторного роста примерно на 20-й день снова происходит и количество водорослей растет. И этот рост продолжается вплоть до конца эксперимента.
Популяция вируса развивалась с точностью до наоборот: после двух волн внезапного прироста в первые три недели количество вирусов внезапно шло на спад, при этом не вымираючи полностью.
Важно было заметить, что это развитие подобное для каждой колонии водорослей, которые вынуждены были развиваться с вирусами. «Все три популяции демонстрировали подобные временные процессы. Очевидно, коэволюция между хозяином и паразитом каждый раз происходила подобно», – сказал Бекс. В конце эксперимента каждая из популяций состояла почти исключительно из клеток водорослей, которые стали резистентными к вирусу. Они могли отразить нападение вируса не только из собственной популяции, но и из других – хотя там происходили независимые процессы коэволюции.
«Во всех трех случаях водоросли и паразиты должны хорошо приспособиться друг к другу, иначе это явление было бы невозможно объяснить», – сказал Бекс. Уже после 45 дней хозяин и паразит настолько усовершенствовали свои механизмы защиты и нападения, что ни один не смог одержать верх над другим. За это время водоросли становились резистентными даже к тем вирусам, которые возникали позже. Наряду с устойчивыми оставались все еще нерезистентные водоросли. Из-за них и вирусы не вымирают.
Анализ генома водорослей показал, что резистентные клетки дублируют одну часть своего генома. Такое раздвоение кажется распространенным механизмом, когда организм развивает новые механизмы приспособления.
«Продублированный регион, хотя и не делает клетки непосредственно резистентным к вирусу, однако уменьшает ресурсы, необходимые для выработки резистентности у водорослей», – пояснил Бекс.
Кроме этого дублирования, согласно полученным результатам, важную роль играют точечные мутации. Очевидно, на этом уровне эволюция происходит различными путями, ведь если все резистентные клетки имели продублированный регион, то точечные мутации в их организме отличались.
Эксперименты показали, что эволюция при одинаковых условиях развивает те же свойства (речь идет об резистентность) и приводит к подобным популяционным процессам. Однако на уровне отдельных генов все это выглядит иначе: здесь эволюция каждый раз находит новые пути, чтобы приспособиться.
«Мутации наступают случайно. Кроме того, уменьшение количества популяции нивелирует часть из них. Это все вместе приводит к тому, что эволюцию на генетическом уровне трудно предвидеть», – сказал Бекс.