Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
75 tys. pokoleń temu nasi przodkowie mieli mózgi mniejsze o 30-40 proc. od naszych, większe zęby, osadzone w bardziej masywnych szczękach, mniejsze czoła i cofnięty podbródek. Czasem polowali, częściej żywili się padliną. Nic nie wiemy o tym, by grzebali zmarłych. Część z nich dopiero co opuściła Afrykę i dotarła na Bliski Wschód.
Z punktu widzenia biologicznej ewolucji człowieka 75 tys. pokoleń – z grubsza 1,5 mln lat – to całkiem sporo, zwłaszcza że zmieniał się klimat, a człowiek zasiedlał nowe środowiska. W przypadku pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) 75 tys. pokoleń to zaledwie 34 lata. Ale w takim czasie ta bakteria również może się zmienić, nawet jeśli zapewni się jej idealnie stabilne środowisko. Jak bardzo poważne mogą być te zmiany? To pytanie stawiał sobie Richard Lenski, gdy w 1988 r. rozpoczynał na Uniwersytecie Stanu Michigan projekt znany dziś jako Długi Eksperyment Ewolucyjny. Niedawno pałeczkę przejął po nim były asystent Lenskiego, Jeffrey Barrick z Uniwersytetu Teksasu w Austin.
Schemat eksperymentu jest prosty – właśnie prostota ma dostarczyć odpowiedzi na fundamentalne pytania. W 12 szklanych naczyniach hodowanych jest 12 szczepów E. coli, pochodzących z tej samej, pierwotnej populacji zapoczątkowanej w 1988 r. Każdego dnia naukowcy do 12 identycznych naczyń nalewają roztwór cukru i kwasu cytrynowego i przenoszą do nich 1 proc. populacji bakterii wyhodowanych poprzedniego dnia. Z dostępem do pożywienia bakterie szybko rosną i się mnożą (zawsze przez podział komórki, produkując własne klony) – stukrotnie zwiększają liczebność w ciągu niespełna siedmiu pokoleń. Po kilku godzinach dostępne zasoby są na wyczerpaniu, a liczebność populacji się stabilizuje. Następnego dnia wszystko się powtarza – 1 proc. wyhodowanych bakterii przenosi się do nowych naczyń. Raz na 75 dni (co 500 pokoleń) próbki każdego ze szczepów trafiają do zamrażarki.
Naukowcy nie mają zbyt dużo pracy – w rozmowie z „Nature” Lenski przyznał, że cała procedura zajmuje dziennie pół godziny jednej osobie. A jeśli coś pójdzie nie tak, zawsze można wrócić do zamrożonych kopii zapasowych, ożywić bakterie i wznowić eksperyment, zaczynając od wybranego pokolenia.
Same bakterie też żyją raczej bezstresowo – mają swobodny dostęp do tlenu, roztwory trzymane są w przyjemnej temperaturze 37 stopni (nieprzypadkowo jak w ludzkim ciele – w jelitach każdego z nas żyje miliard bakterii E. coli), nie grożą im żadne wirusy, drapieżniki czy wrogie szczepy.
Mimo to podlegają naturalnej selekcji. Po 75 tys. pokoleń bakterie potrafią rosnąć i kopiować się ok. 70-80 proc. szybciej od pierwotnej populacji z 1988 r. Lenski przypuszczał, że każdy z 12 założonych wtedy szczepów pójdzie w swoją stronę – przypadkowe mutacje, pojawiające się podczas rozmnażania się bakterii, sprawią, że między populacjami wyewoluują spore różnice. Gdy idzie o szybkość rozmnażania się, to tak się nie stało – kolejne szczepy różnią się co najwyżej o kilka procent. Wygląda na to, że tempo kopiowania się bakterii – a więc także ich dostosowanie, fundamentalny parametr darwinowskiej ewolucji – stale rośnie.
Po 30 tys. pokoleń nastąpiła spektakularna zmiana – w jednym ze szczepów wyewoluowała zdolność do trawienia kwasu cytrynowego. Wszystkie pozostałe do dzisiaj odżywiają się wyłącznie glukozą, ten jeden zyskał dostęp do dodatkowego pożywienia.
Aby sprawdzić, jak do tego doszło, badacze sięgali po próbki przechowywane w zamrażarkach. Sprawdzali, jak często w tej samej linii ewolucyjnej pojawi się ta sama adaptacja, gdy eksperyment „cofnie się” o określoną liczbę pokoleń. Okazuje się, że jeśli będzie to 20 tys. pokoleń, to szczep na ogół wyewoluuje zdolność do trawienia kwasu cytrynowego. Jeśli ponad 20 tys. pokoleń – najczęściej nie. To wtedy musiały się więc pojawić mutacje i cechy niezbędne do tego, by w przyszłości wyewoluowała u bakterii zdolność do przyjmowania nowego rodzaju pokarmu.
Bakterie żyjące w stabilnych środowiskach na ogół w długim czasie skracają swoje genomy – upraszczanie programu genetycznego najwyraźniej sprawia, że łatwiej się on kopiuje. W Długim Eksperymencie Ewolucyjnym tego efektu jeszcze nie widać.
W ciągu 34 lat powstało wiele eksperymentów pobocznych. W jednym z ostatnich Lenski sprawdzał, czy większe znaczenie dla tempa ewolucji nowych cech mają mutacje genetyczne pojawiające się w kolejnych pokoleniach, czy raczej zróżnicowanie genetyczne pierwotnej populacji. W badaniu uczestniczyło kilkanaście nowych grup bakterii – od najbardziej jednorodnych genetycznie po różne mieszanki zaczerpnięte z 12 szczepów Długiego Eksperymentu Ewolucyjnego. Sprawdzano, jak będą sobie radzić, gdy będą musiały konkurować o zasoby z innymi szczepami. Po 2 tys. pokoleń nie zaobserwowano wielkich różnic w radzeniu sobie z nowymi wyzwaniami – co sugeruje, że większe znaczenie w ewolucji mają narastające mutacje.
Ale nawet u bakterii wielkie zmiany ewolucyjne wymagają milionów lat. Żeby znaleźć odpowiedzi na wiele kolejnych pytań, potrzebujemy następnych 75 tys. pokoleń...badaczy kontynuujących projekt.©℗
