- Интересующийся
Илья, спасибо большое за заботу, но никто из уважаемых мною дарвинистов меня вроде не вводил в заблуждение! Бактерия Esherichia coli действительно не способна усваивать цитрат в среде где присутствует кислород (в колбах Ленски кислород присутствовал)! Об этом я читал и у цитированного мной Докинза:И опять Вас кто-то обманул, Дмитрий. На самом деле, кишечная палочка - СПОСОБНА усваивать цитрат. Запомните это уже наконец !!! (здесь я обращаюсь ко всем верующим дарвинистам, которые приводят конкретно этот пример).
Если хотите понять, что там случилось на самом деле - прочитайте об этом у меня в книге (см. выше название главы).
"Кроме глюкозы там был цитрат (лимонная кислота). Цитрата в среде было много, однако бактерия E. coli не способна его усваивать – по крайней мере, не в среде, в которой присутствует растворенный кислород (как это было в колбах Ленски). Но стоило бы хоть одной бактерии научиться усваивать цитрат, перед ней открылось бы настоящее Эльдорадо. Именно это произошло с линией Ara-3."
Или у Маркова (А. Марков, Е.Наймарк "Эволюция..., гл. 4 праграф - "Новое устройство враз не приживается"):
"Цитрат добавляется в среду в качестве вспомогательного вещества. Нормальные бактерии E. coli способны усваивать цитрат только в анаэробных (бескислородных) условиях. Неспособность питаться цитратом в присутствии кислорода - один из определительных признаков данного вида бактерий."
Так что, вроде, я в курсе, что эти бактерии в колбах Ленски питаться цитратом были не способны!
А теперь давайте посмотрим о чем же действительно важном в описании результатов экспериментов, проведённых с этими бактериями, Ваши читатели так и не смогли прочитать в Вашей книге.
Читаем Вас:
"В эксперименте, поставленном коллективом Ленски, бактерии искусственно пересаживались в колбы с питательной средой,
(да, как ни странно бактериям не позволялось самим перепрыгивать из предыдущей колбы в новую понравившуюся, коварные экспериментаторы пересаживали их в среду содержащую определённое количество жизненно необходимой для них глюкозы!)
где они питались глюкозой. Кроме того, в питательной среде содержался еще и цитрат (лимонная кислота).
Цитрат не усваивается бактериями кишечной палочки в присутствии кислорода. В кислородных условиях кишечная палочка использует гораздо более эффективные пути добычи энергии (более эффективные в десятки раз), чем те, которые даёт потребление конкретно цитрата. Поэтому кишечная палочка начинает использовать цитрат только в условиях отсутствия кислорода. Такая способность реализуется за счет того, что ген, который кодирует белок-переносчик цитрата (необходимый для того, чтобы бактерия стала потреблять цитрат), связан с управляющим участком ДНК (промотором), который подавляет работу гена, синтезирующего белок-переносчик цитрата, если в среде присутствует кислород.
И вот, в результате, бедные колонии бактерий на протяжении 30.000 поколений в этом эксперименте практически «сидели» на цитрате, но не могли его использовать. И только примерно на 31.000 поколении произошла соответствующая мутация – описанный выше генный комплекс (оперон), наконец, сломался. А именно, ген, кодирующий только синтез белка-переносчика цитрата, дополнительно скопировался еще и в другую область ДНК, тем самым вырвавшись из того оперона, который блокировал его работу в присутствии кислорода, и попал в оперон, не чувствительный к фактору присутствия кислорода. Поэтому этот ген стал работать всё время, то есть, соответствующий белок-переносчик цитрата начал синтезироваться бактериальной клеткой всё время. В результате, мутантные кишечные палочки начали усваивать цитрат тоже всё время – как в условиях отсутствия кислорода, так и в его присутствии.
Говоря простыми словами, произошло примерно следующее. Раньше у Вас на кухне был работающий кран. Поэтому вода из него текла только тогда, когда Вам это было нужно (когда Вы открывали этот кран). Но в какой-то момент этот кран – сломался. И теперь вода из него течет всё время. Однако в каких-то особых условиях это «новое свойство» Вашего крана может оказаться полезным. Например, теперь Вы точно не умрете от жажды, даже если у Вас связаны руки.
Вот так же и поломка генного комплекса, регулирующего потребление цитрата, оказалась полезной в специфических условиях, заданных экспериментаторами.
Таким образом, в этом эксперименте:
1). Бактерии «научились» есть цитрат не за счет возникновения каких-то новых генов, а за счет поломки уже имевшегося генного комплекса.
2). На то, чтобы сломать соответствующий генный комплекс, у бактерий ушло более 31.000 поколений! Здесь надо вспомнить, что колонии бактерий (в одной пробирке) насчитывают миллиарды особей. Тем не менее, потребовалось ждать 31.000 поколений до нужной поломки."
То есть, по Вашему, спасибо сорванному крану, который позволил бедным бактериям питаться ещё и цитратом. Про Ваше желание увидеть возникновение новых генов я (тихо хихикая в кулачёк) вообще промолчу
Читаем далее:
"Но в следующих поколениях бактерий, мутантный ген (оторвавшийся от своего кислород-регулирующего промотора и «примкнувший» к промотору, безразличному к наличию кислорода), скопировался в ДНК бактерий, возможно, еще несколько раз подряд. В результате, синтез белка-переносчика цитрата тоже резко усилился. И как следствие, серьезно усилилась транспортировка цитрата через бактериальную мембрану и его усвоение кишечной палочкой. Таким образом, в течение еще нескольких тысяч поколений исходная кишечная палочка научилась кушать цитрат, как говорится, «на полную катушку». То есть, здесь имела место не просто (одна) полезная поломка, а этот результат был еще усилен дополнительными мутациями – созданием дополнительных копий нужного гена. Явление, тоже не редкое у бактерий – когда они наращивают в ДНК копии тех генов, которые дают им сиюминутное преимущество в какой-то конкретной среде (например, дополнительные копии тех генов, которые ответственны за синтез белков, разрушающих тот или иной антибиотик)."
Вот так вот просто, если Вас почитать, бактерии научились есть цитрат в присутствии кислорода, который они и так умели есть в бескислородной среде: раз поломка, затем два, три и тд. Всё просто и банально! В два этапа.
Читаем Александра Маркова:
"Приобретение фенотипа Cit+ во всех случаях было связано с тем, что ген citT начинал экспрессироваться в аэробных
условиях. Но достигался этот результат разными путями. В некоторых повторных опытах, как и в основном долгосрочном
эксперименте, произошли тандемные дупликации, благодаря которым citT оказался под управлением аэробного промотора. Но границы дуплицированных участков в разных случаях были разными, а промотор, взявший на себя управление геном citT, не всегда был промотором гена rnk: в одном случае это был промотор другого гена (rna). В нескольких повтор-
ных опытах тот же эффект был достигнут без дупликации — благодаря встраиванию мобильного генетического элемента IS3 в кодирующую часть гена, расположенного по соседству с citT. В этом мобильном элементе как раз имеется подходящий промотор, взявший на себя управление геном citT."
"Повторные эксперименты подтвердили, что вероятность приобретения признака Cit+ росла в ряду “предковый штамм — клады
1 и 2 — клада 3”. Стало быть, появление этого признака именно в кладе 3 не было простой случайностью. Микробы были заранее подготовлены к этому — “потенцированы”. Иными словами, у них в ходе предшествующей эволюции зафиксиро-вались какие-то мутации, которые сами по себе не давали возможности питаться цитратом, но повысили вероятность развития этой способности в будущем. Разумеется, “потенцирующие” мутации зафиксировались не потому, что микробы планируют свою эволюцию наперед. Эти мутации либо были нейтральными и зафиксировались случайно, либо были полезны для чего-то другого.
Подготовка к цитратному питанию была побочным эффектом, которого естественный отбор не мог предусмотреть.
Следующими экспериментами удалось доказать, что какие-то генетические особенности клады 3 действительно
способствуют эффективному питанию цитратом. Чтобы убедиться в этом, исследователи вставили в геномы представите-
лей предкового штамма и клад 1–3 по несколько копий гена citT под управлением аэробного промотора. Иными словами, они
придавали микробам способность поглощать цитрат — и смотрели, насколько микробы расположены к новой диете.
Представители всех генно-модифицированных штаммов в результате научились использовать цитрат в пищу, но в очень
разной степени. Микробы из клады 3 делали это лучше всех: они быстро переключались с глюкозы на цитрат и хорошо
росли на чистом цитрате. Микробы из клад 2 и 1 справлялись хуже: им требовалось больше времени на переключение, и росли на цитрате они медленнее. Предковый штамм использовал цитрат еще менее эффективно. Для того чтобы
после исчерпания запасов глюкозы переключиться на питание цитратом, ему требовалось около двух суток. Между прочим,
это означает, что в условиях долгосрочного эксперимента он не получил бы никакого преимущества от мутации, которая
создала фенотип Cit+ в кладе 3: никто не дал бы ему двух суток на раздумья, ведь бактерий пересаживают в новую среду с глюкозой каждые сутки.
Эти результаты, как и повторные эволюционные эксперименты, показывают, что “потенцирование” проходило как
минимум в два этапа. Вероятность формирования фенотипа Cit+ выросла при переходе от предкового штамма к кладам
1 и 2 и снова увеличилась при формировании клады 3. Интересно, что первые бактерии, у которых после поко-
ления № 31 000 был зарегистрирован фенотип Cit+, использовали цитрат еще очень неэффективно, хотя у них уже были
и “потенцирующие” мутации, и тандемная дупликация. Новая функция поначалу была несовершенна и давала лишь едва
заметное преимущество. В ходе дальнейшей эволюции эффективность использования цитрата микробами Cit+ быстро
росла. Исследователям удалось расшифровать один из механизмов усовершенствования: фрагмент ДНК с активирован-
ным геном citT просто-напросто подвергся еще нескольким дупликациям. Это, по-видимому, ускорило поглощение цитрата из внешней среды.
Таким образом, формирование эволюционного новшества происходило в три этапа. На первом этапе (потенцирование) закрепились мутации, повысившие вероятность появления признака в будущем. На втором этапе (актуализация) появилась и была поддержана отбором ключевая мутация, превратившая микробов Cit– в Cit+. Правда, поначалу новый признак был слабо выражен и почти не приносил пользы. На заключительном, третьем этапе (усовершенствование) признак постепенно оптимизировался. В результате его полезность многократно выросла."
Итак, формирование эволюционного новшества, по Маркову, происходило в три этапа! Полезные мутации (минимум две), ключевая мутация (дупликация, в подходящий для синтеза нужного белка участок генома, citT, (по Маркову, или поломка по Рухленко)), повторная многократная дупликация ключевой мутации rnk-citT (по Маркову и Рухленко).
Варианта два: либо Марков врёт про две "понтенцирующие" мутации, либо об этом не договаривает Рухленко своим читателям!
Как разобраться кто нас вводит в заблуждение? Обратиться к первоисточнику на который ссылаются оба автора:
"Genomik analysis of a key innovation in an experimental Esherichia coli population" Zachary D.Blount et al 2012
http://www.umich.edu/~zhanglab/clubPaper/10_26_2012.pdf
"Phylogeny implies multiple potentiating mutations
The potentiating mutations are not known to confer any phenotype amenable to screening, so there is no simple way to distinguish
between potentiated and non-potentiated clones. Instead, we examined the distribution of the 13 potentiated clones identified by
the replay experiments using mutations (Supplementary Table 10) that differentiated clades UC, C1, C2 and C3 (Fig. 1). We also determined the distribution of the other 256 evolved clones used in the replays to assess the coverage of the clades in those experiments (Supplementary Fig. 4). Overall, 205 clones were assigned to clades, including 12
potentiated clones (Supplementary Table 11). Sixteen from generations 15,000 and earlier were in clade UC. The others came from
generations 20,000 and later including 55 in C1, 97 in C2, and 37 in C3. Potentiated clones occurred in all three with 8 in C3 and 2 each in C1 and C2. Nonetheless, this distribution is highly non-random (two-tailed Fisher’s exact test comparing C3 with C1 and C2 combined,P50.0003; this test shows no difference between C1 and C2,P50.6206). These data, and the absence of any Cit1
mutants generated by the ancestor, indicate that potentiation involved at least two mutations, with one arising before these three clades diverged and another in C3 (Fig. 1)."
То есть, как минимум две мутации, необходимые для дальнейшего эффективного использования цитрата, произошли последовательно на этапах развития:
1) от бактерий предков (изначальный штамм) к бактериям клады 1 и 2,
2) и при переходе от бактерий клады 1 и 2 к кладе 3!
"Alternative hypotheses
Two distinct mechanisms might explain the potentiation effect. One is epistasis, whereby an interaction between the potentiating background and the actualizing mutation is needed to express the Cit1 phenotype. The second is that the background physically promoted the final mutation; for example, a later rearrangement may require some prior genomic rearrangement. If expression of Cit1 required earlier mutations, then the rnk-citT module should confer a weaker Cit1 phenotype in a non-potentiated background than a potentiated background. Alternatively, if potentiation facilitated the amplificationevent itself, then that module should produce anequally strong Cit1 phenotype in both potentiated and non-potentiated backgrounds."
Авторы рассматривают две гипотезы о соотношении "потенциирующих" мутаций и основной "актуализирующей" мутации (дублирование citT в rnk promoter):
1) эпистаз - когда ни один из этапов (полезных мутаций) по отдельности не даёт эффективной новой способности (так называемая "неупрощаемая сложность", когда мутации сами по себе не играю никакой полезной роли самими по себе, но только в связке, и соответственно не должны теоретически быть закреплены естественным отбором по отдельности (возможно только случайно))
2) или"потенциирущие" мутации физически сделали возможным последующую "актуализирующую" мутацию, но дальнейшей полезной функции не несут.
Авторы приводят доводы в пользу первого варианта и доводы против второго (на основе серии проведённых экспериментов)!
"Evidence for epistasis
In any case, the profound differences in growth trajectories on citrate enabled by the high-copy plasmid (Fig. 6) support the
hypothesis that potentiation depends, at least partly, on epistasis between the genetic background and the amplification mutation that generated that module"
Итог: именно у Маркова мы узнаём важную для понимания эксперимента информацию - про первый "потенциирующий" этап в две мутации! Второй этап: дупликации (ключевая мутация, превратившая бактерии из неспособных усваивать цитрат Cit- в способных Cit+). Третий этап: повторные дупликации. Авторы статьи так и пишут, что скорее всего это довольно распространённый путь появления эволюционных новшеств:
"The evolution of citrate use also highlights that such actualizing mutations are only part of the process by which novelties
arise. Before a new function can arise, it may be essential for a lineage to evolve a potentiating genetic background that allows the actualizingmutation to occur or the new function to be expressed. Finally, novel functions often emerge in rudimentary forms that must be refined to exploit the ecological opportunities. This three-step process—in which potentiation makes a trait possible, actualization makes the trait manifest, and refinement makes it effective—is probably typical of many new functions."
Есть три варианта, почему Вы, Илья, не упомянули о важнейшем этапе без которого не могла появиться новая способность у бактерий (про этап двух "потенциирующих" мутаций), а сразу перешли ко второй, которую Вы в юмористическом жанре (свойственном скорее публицистической литературе, нежели научной, на которую Ваша книга претендует) обозвали "поломкой крана":
1) Вы либо не читали оригинальную статью, а ознакомились с результатами эксперимента из вторичного источника, автор которой ввёл Вас в заблуждение;
2) Вы читали оригинальную статью, но не до конца и невнимательно;
3) Вы читали оригинальную статью, но умолчали о такой важной информации, считая, что ваши читатели не будут проверять Ваши слова (тем более, что Вы в начале первого тома уже дали нелестную характеристику тем людям, кто читает Докинза и Маркова и немного научных статей) особенно в конце второго тома книги, когда автор уже забивает последние победные гвозди в крышку гроба Дарвинизма (и правда, зачем морочить голову своим читателям такими тонкостями).
Я, как бывший православный христианин и юрист по образованию , по привычке, склонен, если есть такая возможность, лучше думать о людях. По этому надеюсь, что это был пункт 1) или на худой конец 2) что, правда, для научной книги не есть "comme il faut" в любом случае! Вот для чего нужны рецензенты - в конце обширной работы у автора может просто замылиться глаз. Надеюсь в новой редакции Вы подправите эту главу!
Но и это ещё не всё
Вы писали , что такие "потребляющие на полную катушку цитрат" бактерии - это просто такие "инвалиды", которые будут выбраковываться в условиях, когда колония вернётся в прежние условия. Как аргумент, Вы ссылаетесь на то, что в колюах сосуществовало совместно с "инвалидными" бактериями Cit+ и некоторое количество не способных к потреблению цитрата бактерий Cit-. Замечательно, говорите Вы, бактерии про запас оставили себе возможность возврата к прежней спокойной жизни на глюкозе (этакая клада бактерий ретроградов).
А вот что выяснили по этому поводу те же авторы
Caroline B. Turner, Zachary D. Blount, Daniel H. Mitchell, Richard E. Lenski 2015
Evolution and coexistence in response to a key innovation in a long-term evolution experiment with Escherichia coli
http://www.biorxiv.org/content/early/2015/06/17/020958.abstract
"Evolution of a novel function can greatly alter the effects of an organism on its environment. These environmental changes can, in turn, affect the further evolution of that organism and any coexisting organisms. We examine these effects and feedbacks following evolution of a novel function in the long-term evolution experiment (LTEE) with Escherichia coli. A characteristic feature of E. coli is its inability to consume citrate aerobically. However, that ability evolved in one of the LTEE populations. In this population, citrate-utilizing bacteria (Cit+) coexisted stably with another clade of bacteria that lacked the capacity to utilize citrate (Cit−). This coexistence was shaped by the evolution of a cross-feeding relationship in which Cit+ cells released the dicarboxylic acids succinate, fumarate, and malate into the medium, and Cit− cells evolved improved growth on these carbon sources, as did the Cit+ cells. Thus, the evolution of citrate consumption led to a flask-based ecosystem that went from a single limiting resource, glucose, to one with five resources either shared or partitioned between two coexisting clades. Our findings show how evolutionary novelties can change environmental conditions, thereby facilitating diversity and altering both the structure of an ecosystem and the evolutionary trajectories of coexisting organisms."
"Инвалиды" (Cit+ умеющие потреблять цитрат) производили отходы жизнидеятельности (янтарную кислоту, фумарат, яблочную кислоту) Их стали в свою очередь потреблять бактерии-ретрогдады Cit-. Это дало возможностью им сосуществовать с более конкурентными родственниками. В итоге образовались экологические ниши. Ай да "инвалиды", ай да молодцы - своими "фикалиями" спасли бедных родственников от вымирания
PS
Так что, Алексей, надеюсь я на данном примере убедил Вас, что не стоит слепо доверять одному автору (Рухленко, или Маркову, или Докинзу), а стоит всё же знакомится с доводами и той и другой стороны (я думаю это полезно при изучении любого сложного вопроса в котором есть две или несколько альтернативных точки зрения, даже если ты придерживаешься одной из сторон).
PSS
Илья, жаль, что Вы прекращаете дискуссию (действительно как-то "пробежались", а надо порой углубляться). О том как я к этому отношусь, что положительного я могу сказать о нашей беседе и какие моменты остались нерешёнными я напишу позже. И всё же я, с Вашего позволения, доотвечаю на вопросы и темы поднятые здесь, на которые не успел ответить, а Вы если найдёте возможность прокомментируете их
Последнее редактирование: