核心概念生物多样性收藏的文章发表:2019年5月29日

进化在瓶子里

作者

塞萨尔Aguilar

年轻的评论家

卡洛斯

丹尼尔

玛丽亚·约瑟夫

文摘

进化的过程是生物的变化随着时间的推移,他们可以适应不同的环境。进化创造了地球上生物的多样性。利用细菌,科学家正在研究进化是如何工作的,通过研究细菌的DNA及其突变的DNA改变的主要原因导致进化。为什么我们选择研究细菌?好吧,因为他们可能是地球上最非凡的生物。他们可以生存在最多样和极端的条件下,从海底火山到阿拉斯加冻土。进行这一研究,一种细菌大肠杆菌被选为测试对象一些有趣的实验,我们将在本文中描述。

进化是什么?

在我们的星球上,有微生物存在于几乎每一个角落:细菌。地球上大约有十亿种细菌。是什么原因这个巨大的细菌多样性的地球吗?进化是关键。“进化”这个词是用来描述生物的变化发生在许多代。1831年,英国博物学家查尔斯·达尔文开始了5年旅行在英国英国舰队贝格尔号考察船。访问期间,达尔文注意到有趣的模式在许多生物的分布和特点。他反映这些特征变化,帮助生物适应他们生活的环境(图1)。这次旅行帮助达尔文提出的进化论中他解释生物体改变每一代,如何适应环境为了生存的条件1]。

图1 -英国舰队贝格尔号航行。

**(一)**1831年,英国博物学家查尔斯·达尔文开始了5年旅行在英国英国舰队贝格尔号考察船。小猎犬号探索众多地方,地图上的红点所示。达尔文的生物在这些位置的观测显示有趣的模式在许多生物的分布和特征,如海龟、雀、贻贝、袋老鼠,鸭嘴兽,使达尔文想适应。**(B)**最著名的例子适应发现达尔文雀喙的极大的多样性。设计不同的喙雀似乎吃特定的食物出现在他们生活的地方。用他所有的观察,达尔文提出自然选择的进化论。

进化是如何发生的?

一个大问题,起源于达尔文的理论是他观察到的改变是如何。今天,我们知道这些变化最终导致的突变。突变是生物体的变化基因。基因是所有生物体具有的指令。每一个基因是由4个分子的独特组合核苷酸:腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。这些核苷酸的顺序,称为基因序列,确定每个基因的功能。所有有机体的基因被称为基因组。基因组包含信息编码所有有机体的特点,所以在一个或多个核苷酸变化的基因(称为基因变化)可以干扰生物体的一个特征,如眼睛的颜色,它的高度或处理食物的方式。这种遗传信息是遗传的,这意味着从一代传给另一个。

基因的突变可以发生自发地或在应对环境压力因素,但无论何种原因,所有的突变是随机的(2]。这意味着基因变化可能发生在生物体的基因组。代突变的积累可以是有益的,有害的或者没有影响生存。达尔文总结所有这些事实在一个简单的概念:自然选择(1]。自然选择是缓慢的过程在几代人积累有用的突变,导致生物成为更好地适应他们的环境。生物不太适应生存将会有更多的麻烦比生物的突变会帮助他们适应。在有机体突变产生显著变化时,会导致新物种的发展(1]。

研究进化的细菌是伟大的

经典的方法证明物种随时间变化是通过化石记录。化石显示原始的生命是如何形成的,如果我们找到足够的化石,可以观察有机体是如何随时间发展的。然而,如果化石记录是不完整的,是不可能看到所有这些变化或弄清生物体是如何进化的。为了解决这个问题,这将是更容易直接研究进化,通过检查所有发生在每一代的基因变化。要做到这一点,研究人员必须先找到一个理想的生物研究。细菌是一个显而易见的选择,因为他们容易在实验室培养和快速繁殖。大肠杆菌是一个被广泛研究的细菌繁衍人类的消化系统和其他温血动物(图2)。比较,如果我们想做一个进化与人类实验,我们需要等待,平均26年新一代,大肠杆菌产生新一代在20 min-less时间比披萨!此外,大肠杆菌小基因组,使它容易和便宜的研究实际的核苷酸的变化,发生在每一代(图2)。在接下来的小节万博manbetxapp最新中,我们将描述一些科学家的实验,使用大肠杆菌在实验室,研究进化的过程。

图2——大肠杆菌是一种有用的生物进化实验。 — 图2 -*大肠杆菌*是一个有用的生物进化实验。

有几种生物科学家常用的进行各种实验。最受欢迎的植物*拟南芥*,啮齿动物亩骶,简单的蠕虫*秀丽隐杆线虫*。执行实验进化,然而,科学家们需要一个有机体繁殖时间短和小基因组。的*大肠杆菌*细菌的繁殖时间只有20分钟!这个快速分裂率和小基因组使它适合这些实验,在世界各地的实验室。在这个图中,您可以看到繁殖率和基因组大小(bp,代表碱基对)的人类和其他生物体通常用于科学实验。

细菌是如何进化为了应对极端寒冷?

通过研究大肠杆菌在实验室里,一群科学家希望了解细菌如何适应极端寒冷。为了研究这一点,他们设计了一项实验,大肠杆菌受到极端冷的时间太长。150次的实验包括冻结在-80°C 22.5 h,然后在室温下解冻为1.5 h。结果呢?的生存大肠杆菌增加;他们进化。当科学家研究的基因组进化的细菌,他们发现突变,禁用一个基因在双磷脂酰甘油的生产过程中发挥作用,一个分子,使细菌细胞的外壳坚固的和严格的。进一步的调查证明,关闭心磷脂的生产有助于保持覆盖流体和灵活的冻结后,这增加了生存(3]。

最雄心勃勃的研究进化的

最雄心勃勃的研究的进化是由一位科学家名叫理查德Lenski认为。Lenski认为保持大肠杆菌在一个特殊的瓶液体,称为介质,包含有限的养分(图3)。在这种培养基,细菌生长迅速,但贫营养一样快。然后细菌进入“饥饿”状态持续了24小时,之后有些饿了,强调被转移到另一个瓶子用新鲜培养基中,细菌含有相同的营养。他一遍又一遍地重复这一过程。在很长一段时间,压力过程中经历了由细菌导致突变的产生,因此,细菌种群的进化。Lenski认为和他的合作者开始这个长期进化实验(LTEE),1988年它仍在继续4]。现在,超过74000代之后,发生了很多有趣的事。

图3——长期进化实验(LTEE)。

LTEE始于1988年。对于这个实验,科学家使用一种称为串行传输的技术,这意味着,自1988年2月24日,每天一个的1%*大肠杆菌*培养瓶转移到新鲜培养基。随着时间的流逝,生成有害和有益的突变。有益的突变导致适应性帮助细菌处理饥荒人口面临日常事务。这个项目还没有结束。现在,超过74000代之后,获得了很多知识。

LTEE惊人的发现

最有趣的一个观察LTEE是显著的和持续的增长健身在第一次5000代(约2年)。这是什么意思?较高的生物健康是更好地适应他们的环境,往往会产生更多的后代而身体不健康的竞争对手。Lenski认为观察到,在前两年的实验中,基因变化出现在一些细菌,这些细菌适应环境,变得更加健康,直到他们成为主要的人口(4]。一些细菌适应环境很好,他们甚至失去某些功能,不再需要在实验条件下。这类似于某些动物怎么了数百或数千年之后生活在绝对黑暗,像在山洞里。这些动物发明了一种适应的眼睛最终输了,因为眼睛是没有有用的在那些黑暗的环境。

LTEE的另一个惊人的发现是,在一个实验中,这种适应人口大肠杆菌人口并不是唯一,但是第二个小人口和他们共存,因为它已经进化的能力利用醋酸,浪费的产品占主导地位的人口。这类似于狮子和食腐动物动物之间的关系。狮子吃猎杀动物和保持他们离开成为其他动物的食物,像鬣狗或秃鹰。

正如前面提到的,生物体发展足够的基因和结构变化可以成为一个新物种。这个过程发生在LTEE吗?大肠杆菌使他们具有某些特征大肠杆菌而不是另一个细菌物种。这些特征之一是无法使用一种叫做柠檬酸作为食物来源的物质在氧气存在。令人惊讶的是,科学家们发现,在31500代(超过12年),一个人口大肠杆菌开始使用柠檬酸作为食物来源(4]。利用柠檬酸的发展能力是及其少见的!这怎么可能?好吧,大肠杆菌柠檬酸消费拥有所有必要的基因,但这些基因关闭,工作只有在缺乏氧气。当科学家们观察到的基因组进化的生物,他们意识到,由于某些突变,这些基因被开启,使大肠杆菌用柠檬酸作为食物来源。现在,这是消费者一种新的柠檬酸埃希氏杆菌属物种?你怎么认为?

结论

进化的研究都告诉我们,生命总是会找到一种方式。出于这个原因,细菌基因组可以用不同寻常的方式来适应当细菌面临环境逆境。这个过程可以让细菌在新的地方。大肠杆菌已经成为这些进化研究的模式生物,因为它生长,它有一个小的基因组,我们知道很多关于它。从这些实验中获得的数据导致重要的进化问题,将使我们的研究不仅要理解,甚至可能在未来引导进化。你能想象未来是可能知道所有的基因控制生物体的生理特征和疾病?也许我们不是太远,当它发生的时候,我们可以帮助对抗疾病和生物可能找到其他方法来帮助生物,包括人类,变得更加适合他们的环境。