Лаборатория эволюции
Лаборатория эволюции
Эволюция — не только то, что случилось давным-давно. Она идёт прямо сейчас: в больницах, в лесах и в каждом рождающемся ребёнке. Проведи сам шесть экспериментов, а потом узнай, что было, когда учёные провели настоящие.
1 · Бактерии против антибиотиков
Бактерии против антибиотиков
Бактерии распространяются внутрь от обоих краёв чашки. Каждая полоса ближе к центру содержит в десять раз больше антибиотика, чем предыдущая. Бактерия не может расти в полосе, к которой не устойчива. Но при каждом делении есть небольшой шанс мутации, и некоторые мутации делают потомков чуть устойчивее.
- Поколения
- 0
- Самая дальняя полоса
- без препарата
- Уровни устойчивости
Нажми «Пуск». Каждый цвет — уровень устойчивости. Смотри, где фронт останавливается и где прорывается один-единственный мутант.
Настоящий эксперимент
В 2016 году команда из Гарварда залила огромную чашку размером 120 на 60 сантиметров с полосами антибиотика триметоприма, концентрация которого к центру росла в десять раз на каждой полосе, вплоть до дозы в 1000 раз больше той, что обычно останавливает кишечную палочку. Бактерии, выпущенные по краям, за две недели с небольшим эволюционировали до центральной полосы, а камера сняла каждый шаг. Сюрприз: самые устойчивые мутанты не всегда побеждали. Иногда они застревали позади медленнее растущих и менее устойчивых соседей.
Почему это важно: злоупотребление антибиотиками ставит этот эксперимент в мировом масштабе. Каждое применение даёт преимущество бактериям, способным его пережить.
Самый долгий эволюционный эксперимент
24 февраля 1988 года Ричард Ленски запустил 12 одинаковых колб с кишечной палочкой. Каждый день немного каждой культуры переносят в свежую среду — это около 6,6 поколения в день. В августе 2024 года популяции перешагнули 80 000 поколений — больше чем в шесть раз больше, чем прожил наш вид. Около 31 000-го поколения одна популяция обрела новое: способность питаться цитратом, который кишечная палочка обычно не может использовать в присутствии кислорода.
Почему так быстро? В хороших условиях кишечная палочка может делиться примерно каждые 20 минут.
Исследования:Baym et al. 2016, Science ↗Blount et al. 2008, PNAS ↗Good et al. 2017, Nature ↗Долговременный эксперимент по эволюции E. coli ↗Резистентность к антимикробным препаратам ↗
2 · Стань птицей
Стань птицей
Берёзовые пяденицы днём сидят на коре деревьев. Большинство светлые и крапчатые; у немногих есть мутация, делающая их чёрными. Ты — голодная птица: щёлкай по бабочкам, которых замечаешь. Выжившие откладывают яйца, и их потомство похоже на родителей.
Настоящий эксперимент
Так было на самом деле. Первые чёрные берёзовые пяденицы были отмечены в Манчестере в 1848 году. Когда угольная копоть зачернила деревья, они быстро распространились, и к 1895 году около 98 % пядениц вокруг Манчестера были чёрными. После законов о чистом воздухе 1950-х годов кора снова посветлела, и чёрные бабочки стали редкостью. В 2016 году генетики нашли саму мутацию: фрагмент «прыгающей ДНК», встроившийся в ген под названием cortex, скорее всего около 1819 года.
Но были ли это действительно птицы?
Чтобы закрыть вопрос, биолог Майкл Мейджерус за шесть лет выпустил 4864 бабочки и наблюдал, каких едят птицы. На нынешней чистой коре птицы ловили больше тёмных бабочек — достаточно, чтобы объяснить исчезновение чёрных.
Исследования:van't Hof et al. 2016, Nature ↗Cook et al. 2012, Biology Letters ↗Peppered moth evolution ↗Естественный отбор ↗
3 · Смеситель генов
Смеситель генов
Каждый ребёнок получает половину генов от каждого родителя, но какую половину — решает случай. Познакомься с двумя выдуманными существами, у каждого по две копии пяти генов. Заглавная буква — доминантный ген: одной копии достаточно, чтобы признак проявился. Щёлкни по букве, чтобы изменить гены родителя.
Родитель А
Родитель Б
Детёныш
Ты — одно из примерно 70 триллионов сочетаний
У каждого из твоих родителей было 23 пары хромосом, и от каждой пары тебе досталась одна хромосома, выбранная случайно. Это даёт 2²³ = 8 388 608 возможных сочетаний от каждого родителя и около 70 триллионов для пары — ещё до того, как хромосомы обменяются кусочками друг с другом (кроссинговер), что увеличивает это число во много раз. Вдобавок каждый ребёнок рождается примерно с 70 совершенно новыми мутациями, которых не было ни у одного из родителей.
Грегор Мендель открыл эти правила в 1860-х годах, выращивая и скрещивая около 28 000 растений гороха в монастырском саду. Никто не понимал важности его работы до 1900 года — через шестнадцать лет после его смерти.
Исследования:Jónsson et al. 2017, Nature ↗Законы Менделя ↗Кроссинговер ↗Мендель, Грегор Иоганн ↗
4 · Дарвиновы вьюрки
Дарвиновы вьюрки: погоду выбираешь ты
На Дафни-Мейджор, крошечном острове Галапагосского архипелага, Питер и Розмари Грант десятилетиями ловили, измеряли и отслеживали почти каждого вьюрка. Здесь погоду каждого года выбираешь ты. Погода решает, какие семена останутся, а семена решают, какие клювы выживут.
Упрощённая модель: выживание зависит от того, насколько клюв подходит к оставшимся в этом году семенам, а высота клюва наследуется с наследуемостью 0,75, близкой к измеренной Грантами. Воспроизведение следует реальной последовательности ключевых лет, но цифры смоделированы.
Настоящий эксперимент
В 1977 году на Дафни-Мейджор выпало всего около 24 миллиметров дождя. Мелкие мягкие семена закончились, и большинство средних земляных вьюрков острова погибло. Выжили в основном крупные птицы с высокими клювами, способные раскалывать большие твёрдые семена якорцев. У их потомства клюв был примерно на 4 % выше, чем у популяции до засухи: эволюция, измеренная штангенциркулем, за одно поколение.
Потом эволюция повернула вспять
Дожди Эль-Ниньо 1982–83 годов завалили остров мелкими семенами, и в следующие годы лучше дела шли у птиц с меньшими клювами. В 1982 году на острове поселилось несколько больших земляных вьюрков. В засуху 2004 года они забрали крупные семена, и клювы средних вьюрков стали меньше — это было сильнейшее эволюционное изменение, зафиксированное Грантами за 33 года. В 2016 году генетики связали это изменение с участком генома под названием HMGA2. Урок Грантов после 30 лет: в краткосрочной перспективе эволюцию можно предсказать, а в долгосрочной — нет, потому что нельзя предсказать погоду.
Исследования:Boag & Grant 1981, Science ↗Grant & Grant 2002, Science ↗Grant & Grant 2006, Science ↗Lamichhaney et al. 2016, Science ↗Галапагосские вьюрки ↗
5 · Приручи лису
Выведи ручную лису
В 1959 году советский генетик Дмитрий Беляев начал эксперимент в Сибири. Из серебристо-чёрных лисиц со зверофермы потомство разрешали давать только самым спокойным и дружелюбным. Теперь селекционер — ты: выбирай родителей каждого нового поколения и смотри, что ещё меняется по пути.
Упрощённая модель: ручной нрав зависит от многих генов и случая. Белые пятна, висячие уши и закрученные хвосты появляются редко и чуть чаще у ручных лис, как было замечено в эксперименте; почему — до сих пор спорят.
Настоящий эксперимент
В настоящем эксперименте родителями становились менее 10 % каждого поколения. В четвёртом поколении первые лисята завиляли хвостом при виде людей. «Элита» — лисы, которые тянутся к людям, скулят и лижут, как собаки, — составляла 1,8 % лисят в 6-м поколении, 18 % в 10-м, 35 % в 20-м и 49 % в 30-м. К 2005–2006 годам почти вся популяция относилась к элите, а уровень гормонов стресса у неё упал до трети уровня обычных лис со зверофермы или ниже.
Висячие уши, которых никто не выбирал
Отбирали только поведение, и всё же через 8–10 поколений появились белые пятна-«звёздочки», а у некоторых лис — висячие уши и закрученные хвосты, черты многих домашних животных. Беляев считал, что отбор только на ручной нрав меняет то, как гены включаются в ходе развития. Сегодня эта идея обсуждается: в 2020 году исследователи проследили происхождение лис Беляева до звероферм восточной Канады, где их разводили уже десятилетиями, и утверждали, что выводы эксперимента преувеличены. В 2018 году геном лисы выявил участки, связанные с ручным и агрессивным поведением.
Исследования:Trut et al. 2009, BioEssays ↗Kukekova et al. 2018, Nature Ecology & Evolution ↗Lord et al. 2020, Trends in Ecology & Evolution ↗Домашние лисы ↗
6 · Твой собственный мир
Построй свой мир
Здесь живут маленькие выдуманные существа. Они едят, убегают, стареют и заводят потомство. У каждого четыре гена — размера, скорости, цвета и меха, — и они передают их дальше с крошечными случайными изменениями. Никто их не проектирует. Измени их мир и смотри, как естественный отбор их перекраивает.
Попробуй
- Сделай почву светлым песком и добавь много хищников. Подожди немного, затем переключи на тёмную лаву. Что происходит с цветом существ?
- Начни ледниковый период. Кто выживает — пушистые или короткошёрстные? Потом переключи на пустынную жару.
- Переключи пищу с «много» на «мало» и смотри на график численности. Сколько существ может прокормить этот мир?
- Нажми «Начать заново» и просто наблюдай. Первые существа среднего размера и средней скорости. Где эти признаки установятся сами, и почему?
Это модель, а не настоящая экосистема, но она подчиняется тем же трём правилам, что и жизнь: изменчивость, наследственность и неравное выживание и размножение.
У каждого гена своя цена
Крупное тело хищнику труднее одолеть, но ему нужно больше пищи. Скорость помогает убегать и находить еду, но сжигает энергию. Мех защищает от холода, но в пустыне вызывает перегрев. Маскировка работает только на подходящей почве. Отбор никогда не находит идеальное существо; он находит компромисс, подходящий к миру таким, какой он сейчас. Измени мир — и компромисс изменится.
Ничто здесь не запрограммировано эволюционировать
В коде нет команд вроде «стань темнее» или «отрасти мех». Он лишь описывает, как существа двигаются, едят, платят за своё тело, попадаются хищникам и размножаются с мелкими ошибками копирования. Каждая тенденция на графиках возникает только из этого — в этом и состоит мысль Дарвина.
Подробнее:Естественный отбор ↗Камуфляж ↗