Różnorodność biologiczna stymuluje własny rozwój • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Mikrobiologia, ewolucja

Różnorodność biologiczna stymuluje własny wzrost.

Ryc. 1. Biolog EcoPlate – die dla określenia zakresu zasobów pokarmowych wykorzystywanych przez konkretny gatunek drobnoustrojów lub całą społeczność mikroorganizmów. Każda komórka zawiera pewną substancję – potencjalne źródło żywności. Można ocenić na podstawie jasności zabarwienia, którym intensywność zamieszkuje mikroby znajdujące się w płytce. Posługując się takimi urządzeniami, autorzy omawianego artykułu ocenili widma żywnościowe eksperymentalnych szczepów i funkcjonalną różnorodność społeczności. Zdjęcie z ecobiosoil.univ-rennes1.fr

Ewolucyjne eksperymenty na społecznościach drobnoustrojów składające się z różnych gatunków blisko spokrewnionych wykazały, że różnorodność biologiczna może stymulować własny wzrost, przyczyniając się do dywersyfikacji drobnoustrojów. Podstawą odkrytego mechanizmu jest rywalizacja o zasoby żywności. Wraz ze wzrostem liczby gatunków w społeczności wzrasta konkurencja o wąski krąg najbardziej "popularnych" źródeł węgla, podczas gdy inne źródła pozostają niewykorzystane. Wynikiem jest selektywna przewaga różnych mutantów, w której zmniejsza się szybkość reprodukcji przy braku konkurencji międzygatunkowej, ale zwiększa się efektywność wykorzystania niepopularnych substratów.W społeczności o niskiej różnorodności takie mutanty są selekcjonowane przez selekcję, a zatem różnorodność biologiczna prostych społeczności pozostaje niska i złożona – rośnie.

Zarówno negatywne, jak i pozytywne sprzężenia zwrotne są zaangażowane w ewolucję różnorodności biologicznej. W społeczności o wysokim poziomie różnorodności dalsza dywersyfikacja może być utrudniona przez fakt, że wszystkie potencjalne nisze są już wypełnione i wszystkie zasoby są wspólne. To jest przykład negatywnej opinii. Z drugiej strony, wzrost różnorodności może przyspieszyć się z powodu takich zjawisk, jak tworzenie niszy (konstrukcja niszowa) (patrz: reakcja łańcuchowa specjacji, elementy, 11 lutego 2009 r.) I zmniejszanie prawdopodobieństwa wyginięcia gatunków związanych ze społecznościami o wysokiej różnorodności. (patrz: W zróżnicowanej społeczności, zwierzęta mają mniejsze szanse na wyginięcie, "Elements", 13 maja 2009). Są to przykłady pozytywnych reakcji zwrotnych w ewolucji różnorodności biologicznej.

W serii krótkoterminowych eksperymentów ewolucyjnych na bakteriach Pseudomonas fluorescens biolodzy z Niemiec i Francji wykazali kolejny potencjalny mechanizm, dzięki któremu różnorodność biologiczna może pobudzić ich własny rozwój.

Eksperymenty przeprowadzono na ośmiu szczepach pseudomonad, które formalnie wszystkie należą do formy Pseudomonas fluorescens, ale jednocześnie różnią się one znacznie swoimi parametrami biochemicznymi i ekologicznymi, dlatego autorzy pewnie nazywają je "gatunkami", ignorując rozbieżności w nomenklaturze.

Badacze skupili się na szczepie (lub gatunku) P. Fluorescens F113, w genomie, do którego został dodany gen oporności na kanamycynę, aby ułatwić oddzielenie go od innych gatunków. Zbiorowiska mikrobiologiczne o różnym poziomie różnorodności gatunkowej i funkcjonalnej zestawiono z tego gatunku i siedmiu innych. Przez różnorodność funkcjonalną (RF) rozumie się różnorodność widm wykorzystywania zasobów żywnościowych (źródeł węgla) w bakteriach należących do społeczności. Widmo żywieniowe dla każdego szczepu określono za pomocą płytek Biolog EcoPlate (ryc. 1).

Badacze kontrolowali nie tylko różnorodność społeczności, w której zachodziła ewolucja szczepu F113, ale także zdolność bakterii do szybkich zmian ewolucyjnych. Aby to zrobić, każdy eksperyment powtórzono z modyfikowanymi bakteriami F113, w których gen specyficznej względem miejsca rekombinazy był wyłączony (patrz rekombinacja swoista dla miejsca) XerD.Ten enzym czasami przekształca genom, zamieniając jego fragmenty, co dramatycznie zwiększa częstotliwość zmutowanych komórek. Dlatego wyłączenie go powinno zmniejszyć zdolność bakterii do szybkiej adaptacji.

Podczas każdego eksperymentu świeżo przygotowaną społeczność drobnoustrojów o określonym poziomie różnorodności funkcjonalnej (RF) i szczepie F113 mieszano w stosunku 4: 1, a powstała mieszanina ewoluowała w ciągu 48 godzin, co odpowiada około pięćdziesięciu generacjom (podziały komórkowe). Autorzy mieli nadzieję, że w tak krótkim czasie bakteria F113 wyrówna (brak XerD), nie będzie miał czasu na zmiany, ponieważ będą miały zbyt mało użytecznych mutacji. Te oczekiwania zostały następnie potwierdzone.

Okazało się, że im wyższy DF społeczności, tym niższy udział F113 w końcowej mieszaninie drobnoustrojów po 48-godzinnym eksperymencie. Oznacza to, że intensywna rywalizacja międzygatunkowa o zasoby ogranicza reprodukcję F113. To samo można powiedzieć innymi słowy: względna sprawność F113 (w stosunku do reszty społeczności) maleje wraz ze wzrostem FR.

W drobnoustrojach typu dzikiego (F113 rec+a) spadek sprawności ze wzrostem FR jest mniej wyraźny niż w zmodyfikowanych drobnoustrojach z opóźnioną mutagenezą (F113 rec). Dodatkowe eksperymenty potwierdziły, że mikroby F113 rec+ pod koniec eksperymentu z powodzeniem konkurują z innymi mikrobami z "ich" społeczności niż z F113 rec. Oznacza to, że dzięki obecności rekombinazy XerD adaptacja bakterii do życia we wspólnocie była skuteczniejsza.

Teraz trzeba było sprawdzić, czy wystąpił błąd F113.+ w trakcie eksperymentu, dywersyfikację, czyli pojawienie się nowych fenotypów różniących się od pierwotnego w spektrum wykorzystywanych zasobów. W tym celu zawiesinę bakterii rozcieńczono, wysiano na agarze i zbadano morfologię kolonii wyhodowanych z pojedynczych komórek. Faktem jest, że P. fluorescens, podobnie jak wiele innych bakterii, mutacje, które zmieniają metabolizm, często zmieniają również kształt kolonii. Okazało się, że wśród bakterii F113 rec+ pojawiło się naprawdę dużo mutantów. Co więcej, im wyższy współczynnik DF społeczności, tym większy był udział różnych mutantów wśród F113 rec+ do końca 48-godzinnego eksperymentu. W niektórych przypadkach mutanty całkowicie wyparły pierwotny szczep (ryc. 2). W ten sposób potwierdzono, że różnorodność społeczności przyczynia się do dywersyfikacji. Wśród drobnoustrojów F113 rec mutantów nie można znaleźć.

Ryc. 2 Udział zmutowanych komórek wśród bakterii F113 rec+ pod koniec 48-godzinnego eksperymentu ewolucyjnego, w zależności od funkcjonalnej różnorodności społeczności, w której nastąpiła ewolucja. Rysunek z omawianego artykułu w Postępy w nauce

Autorzy określili zakres wykorzystania zasobów pokarmowych przez zmutowane bakterie i porównali je z preferencjami pokarmowymi pierwotnej bakterii F113, a także z siedmioma innymi gatunkami, które uczestniczyły w eksperymencie. Okazało się, że główna konkurencja między drobnoustrojami jest tylko częścią substancji obecnych w pożywce. Większość gatunków żywi się tymi "popularnymi" źródłami węgla. Jednocześnie w środowisku występuje wiele innych składników odżywczych, które są wykorzystywane mniej intensywnie i tylko niektóre gatunki. W związku z tym konkurencja o te "niepopularne" substancje jest słabsza. Osiem gatunków, które brały udział w eksperymencie, ma podobne widma do stosowania "popularnych" substancji, ale różnią się one znacznie w użyciu "niepopularnych".

Pierwotny szczep F113 był specjalistą od trofii, to znaczy, podobnie jak większość innych gatunków – uczestników eksperymentu, po prostu żywił się niewielkim zestawem "popularnych" substancji i używał tylko "niepopularnych". Wszystkie zmutowane bakterie pochodzące z F113 i osiągające zauważalną liczbę (to jest wspomagane przez selekcję) różnią się od pierwotnego szczepu w szerszym zakresie aktywnie wykorzystywanych zasobów.Mutanty przeważnie przełączyły się na "niepopularne" źródła węgla. W porównaniu ze szczepem przodków F113 stali się troficznymi generalistami. Oczywiście pomogło to im uniknąć konkurencji i zapewniło sukces w społecznościach o wysokim współczynniku DF.

Okazało się również, że mutanci, którzy nauczyli się efektywnie wykorzystywać zasoby, które nie były wykorzystywane przez społeczność, zapłacili znaczną cenę za to ewolucyjne osiągnięcie: zmniejszyło się ich przystosowanie do życia w warunkach zmniejszonej konkurencji międzygatunkowej. Tracą tempo wzrostu u swoich przodków – niezmutowanych bakterii F113, jeśli w pobliżu nie ma innych konkurencyjnych gatunków (lub jeśli takich gatunków jest niewiele, a DF społeczności jest niski). Wyjaśnia to, dlaczego mutanty – specjaliści ds. Żywności rozprzestrzeniają się głównie w społecznościach o wysokim RF, gdzie kondycja pierwotnego szczepu F113 została zmniejszona z powodu ostrej konkurencji międzygatunkowej. Tylko mutanci generalni byli w stanie z nim współpracować.

Nie było nic zaskakującego w tym, że skuteczne unieszkodliwianie niektórych substancji zostało opłacone poprzez zmniejszenie efektywności stosowania innych substancji: jest to powszechne, choć wiele wyjątków, zasada ewolucyjna – zasada "ewolucyjnego kompromisu" (trade-off, patrz: Peter T. Ellison, 2014Evolutionary Tradeoffs). Specjalista, jak wiadomo, jest podobny do strumienia, ale w swojej wąskiej dziedzinie z reguły wygrywa w konkursie generalisty. Ważne jest, aby w tym przypadku można było eksperymentalnie pokazać rolę ewolucyjnych kompromisów w tworzeniu różnorodnych społeczności. Gdyby szczepy zdolne do efektywnego wykorzystania "niepopularnych" źródeł węgla, nie straciłyby pierwotnego szczepu w konkurencji "popularnych" substratów lub czegoś innego w innych warunkach, już dawno wyparłyby go wszędzie, a globalna różnorodność biologiczna zmniejszyłaby się.

Tak więc badanie potwierdziło, że duża różnorodność społeczności może stymulować jej własny wzrost, przyczyniając się do dywersyfikacji gatunków w społeczności. Proponowany mechanizm opiera się na rywalizacji o zasoby i różni się od "tworzenia niszy", chociaż autorzy uznają, że tworzenie nisz (na przykład przy użyciu niektórych szczepów odpadów innych lub innych opcji dla wzajemnie korzystnych relacji, patrz: Ewolucja gatunków w społeczności nie idzie tak w monokulturze "Elements", 05/19/2012) również może wnieść pewien wkład w wyniki.

Jest oczywiste, że wzrost różnorodności biologicznej nie może przyspieszyć dywersyfikacji do nieskończoności: w pewnym momencie powinno dojść do nasycenia. Cała gra opiera się na dostępności niewykorzystanych zasobów w systemie, a wcześniej czy później różnorodność biologiczna wzrośnie tak bardzo, że zasoby zostaną podzielone na ostatnią miękisz. Najprawdopodobniej różnorodność biologiczna zacznie spowalniać dywersyfikację na długo przed tym punktem. Dalsze badania pokażą, jak rozpowszechniony jest w naturze mechanizm autokatalitycznego wzrostu różnorodności biologicznej.

Badanie wykazało między innymi, że czasy "ekologiczne" i "ewolucyjne" niemal pokrywają się, przynajmniej w świecie drobnoustrojów. Najbardziej autentyczne zmiany ewolucyjne, oparte na mutacjach i selekcji, zmieniające strukturę funkcjonalną i różnorodność społeczności, wystąpiły w tym eksperymencie w jakieś śmieszne 48 godzin.

Źródło: Alexandre Jousset, Nico Eisenhauer, Monika Merker, Nicolas Mouquet, Stefan Scheu. Wysoka różnorodność funkcjonalna stymuluje dywersyfikację w eksperymentalnych zbiorowiskach mikrobiologicznych // Postępy w nauce. 2016. V. 2. P. e1600124.

Zobacz także:
1) Utrzymuje się różnorodność tropikalnych owadów dzięki wąskiej specjalizacji pasożytów, "Elements", 18.03.2014.
2) Ewolucja gatunków w społeczności przebiega inaczej niż w monokulturze "Elementy", 05/19/2012.
3) Zostało udowodnione doświadczalnie, że różnorodność zbiorowisk roślinnych jest poparta rozbieżnościami gatunków w różnych niszach, "Elements", 09/23/2009.
4) W zróżnicowanej społeczności, zwierzęta są mniej podatne na wymieranie, "Elements", 05/13/2009.
5) Reakcja łańcuchowa specjacji "Elementy", 11.02.2009.
6) Różnorodność biologiczna, podobnie jak populacja, rośnie wraz z hiperbolą (zgodnie z artykułem A.V. Markowa i A.V. Korotayeva "Dynamika różnorodności franerozoicznych zwierząt morskich odpowiada modelowi hiperbolicznego wzrostu").

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: