Бактерий из природных местообитаний выращивали в лаборатории либо по отдельности, в монокультурах, либо вместе, в смешанной культуре. Кормили микробов «буковым чаем» — экстрактом буковых листьев. Понятно, что склянки с буковым чаем в лаборатории и естественные лужи в корнях буков — не одно и то же. Изменение условий при перемещении из естественной среды в искусственную должно было подстегнуть эволюцию подопытных бактерий. Бактерии эволюционировали в буковом чае в течение восьми недель, что соответствует 70 поколениям.
Эволюция в монокультурах привела к следующим результатам. Один из видов (E) не смог приспособиться к жизни в буковом чае, его численность стала быстро снижаться, поэтому его исключили из анализа. Вид A размножался в чае в начале и конце эксперимента с одинаковой скоростью, т. е. его приспособленность не изменилась. Виды B, C и D успешно адаптировались к искусственной среде и к концу эксперимента стали размножаться в чае быстрее, чем в начале.
Судьба микробов, эволюционировавших в смешанной культуре, оказалась иной. Виды A, B и C разучились жить в одиночку: к концу эксперимента они почти не могли размножаться без других бактерий. Их приспособленность к одинокой жизни в искусственной среде резко снизилась по сравнению с дикими предками. Этот результат соответствует предположению о «компромиссе» между адаптацией к биотической и абиотической среде. Впрочем, вид D, эволюционируя в смешанной культуре, приспособился не только к совместному, но и к одиночному существованию — даже лучше, чем тот же вид, эволюционировавший в монокультуре.
Чтобы расшифровать экологические связи между подопытными штаммами, авторы использовали такой прием: они выращивали в чае один штамм, затем фильтровали и стерилизовали чай, после чего пытались вырастить в нем других бактерий. Если второй штамм рос в неиспользованном чае лучше, чем в использованном, из этого делался вывод, что первый штамм изменил среду неблагоприятным для второго образом (например, использовал часть ресурсов, необходимых второму штамму). Если же второй штамм в использованном чае рос лучше, чем в свежем, это был сигнал адаптации второго штамма к первому (возможно, второй штамм научился использовать продукты жизнедеятельности первого).
Оказалось, что взаимоотношения между предковыми (дикими) штаммами в основном антагонистические — они конкурируют друг с другом за ресурсы (см. рисунок ниже: на левой верхней диаграмме преобладают черные стрелки, соответствующие негативному влиянию бактерий друг на друга). Один лишь вид D не страдает от присутствия других бактерий, хотя сам он угнетает их рост. Возможно, это значит, что вид D использует более широкий спектр ресурсов, чем остальные виды.
Эволюция в монокультурах усилила взаимную нетерпимость бактерий (правая верхняя диаграмма на рисунке). Теперь уже и вид D стал расти хуже в использованном чае, чем в свежем. Это значит, что в монокультурах бактерии эволюционировали конвергентно, их экологические предпочтения сблизились, т. е. они стали в большей мере использовать одни и те же ресурсы.
Эволюция в смешанной культуре привела к противоположному результату: в отношениях бактерий стало меньше антагонизма и больше кооперации. В большинстве случаев отрицательное влияние сменилось на положительное (нижняя диаграмма на рисунке: многие стрелочки из черных стали серыми). Более того, виды B и C стали быстрее размножаться в использованном чае, чем в свежем. Это значит, что микробы адаптировались к совместной жизни, научившись использовать продукты жизнедеятельности друг друга.
Анализ химического состава среды подтвердил, что эволюция в монокультурах привела к сближению спектров потребляемых ресурсов у подопытных бактерий, тогда как эволюция в смешанной культуре, напротив, способствовала расхождению этих спектров, т. е. развела виды по разным нишам, что привело к ослаблению конкуренции.
Взаимовлияние четырех видов бактерий (A, B, C, D). Черные стрелки — отрицательное влияние (вид, на который указывает стрелка, лучше растет в неиспользованной среде, чем в той, где раньше жил другой вид), серые — положительное (вид, на который указывает стрелка, быстрее размножается в среде, где есть продукты жизнедеятельности другого вида). Чем толще стрелка, тем сильнее эффект. Предки — предковые штаммы, взятые из природных местообитаний; монокультура — штаммы, эволюционировавшие в монокультуре; поликультура — штаммы, эволюционировавшие в смешанной культуре. Из Lawrence et al., 2012.
В смешанной культуре произошло в целом больше эволюционных изменений, чем в монокультурах. В частности, бактерии A в смешанной культуре к концу эксперимента стали производить вдвое больше ацетата и выделять формиат вместо того, чтобы поглощать его, как делал предковый штамм данного вида. Вид B стал использовать вдвое больше холина, формиата и лактата, а также начал потреблять сукцинат вместо того, чтобы выделять его. Вид C, в диком состоянии выделявший ацетат, начал его поглощать. Вид D, исходно потреблявший лактат и выделявший ацетат, стал, наоборот, первое вещество выделять, а второе — поглощать. Эти изменения согласуются с гипотезой о том, что бактерии в смешанных культурах научились использовать продукты жизнедеятельности друг друга: то, что одни виды стали усиленно производить, другие стали усиленно потреблять.
Напоследок авторы измерили продуктивность (ее определяли по скорости производства CO2) смешанных сообществ, составленных из четырех видов бактерий, эволюционировавших по отдельности или вместе. Во втором случае продуктивность сообщества оказалась выше. Таким образом, приспособление бактерий друг к другу пошло на пользу сообществу как целому: сообща микробы стали эффективнее разлагать органику, присутствующую в буковом настое (в главе 6 мы вернемся к вопросу о влиянии дивергенции видов на свойства экосистем).
Итак, межвидовые взаимодействия сильно влияют на эволюцию. Одно и то же изменение среды приводит один и тот же исходный вид к разным эволюционным результатам в зависимости от того, есть ли поблизости другие виды. Никто в этом, собственно, и не сомневался! Но столь наглядно продемонстрировать этот эффект в эксперименте удалось впервые.
Кроме того, исследование показало, что межвидовые взаимодействия могут ускорять эволюцию: в смешанных культурах подопытные виды изменились сильнее, чем в монокультурах. В соответствии с теоретическими ожиданиями жизнь в сообществе способствует «разделению труда», т. е. разводит виды по разным нишам: отбор поддерживает мутации, помогающие ослабить конкуренцию за ресурсы. Кроме того, виды начинают использовать вещества, выделяемые другими видами. Это соответствует представлениям о том, что эволюционирующие виды могут создавать новые ниши друг для друга (см. главу 6). Напротив, эволюция в условиях изоляции создает предпосылки для сближения экологических предпочтений: в отсутствие видов-конкурентов эволюционирующие микробы попытаются занять одни и те же удобные места в «экологическом пространстве». Как тут не вспомнить многочисленные примеры параллельной эволюции на островах (некоторые из них мы рассмотрели в книге «Рождение сложности»).
Разумеется, бактериальное сообщество, использованное в исследовании, намного проще природных сообществ. В одном древесном дупле, скорее всего, живут тысячи видов микробов, и происходящие там эволюционные процессы могут быть гораздо сложнее воспроизведенных в эксперименте. И все же по сравнению с классическими опытами на отдельных видах данная работа представляет собой важный шаг вперед.
Эволюция под управлением компьютера
Наш рассказ об эволюционных экспериментах был бы неполон, если бы мы забыли упомянуть опыты с искусственными репликаторами — опыты, имеющие, между прочим, немалое практическое значение. Дарвиновская эволюция на наших глазах превращается в основу «высоких технологий» будущего.
Метод искусственной эволюции позволяет получать молекулы белков и РНК с заданными свойствами путем имитации естественных процессов: мутагенеза, размножения и отбора. Метод весьма эффективен, но пока трудоемок и дорог. Сначала нужно синтезировать исходную «библиотеку» разнообразных молекул, затем каким-то образом отобрать молекулы, обладающие нужным свойством хотя бы в минимальной степени. Отобранные молекулы размножают, внося в них небольшие случайные изменения (мутации), затем снова производится отбор — и так до тех пор, пока цель не будет достигнута. Большинство операций производится вручную, причем для каждого этапа приходится специально подбирать оптимальные условия «среды».
Конечно, специалисты мечтают автоматизировать процесс. Это позволило бы ускорить и удешевить получение нужных молекул, а заодно и сделать всю процедуру более похожей на то, что происходит в природе. Ведь живые организмы эволюционируют сами, без сознательного контроля извне.
