В 1988 году биолог из Мичиганского государственного университета Ричард Ленски установил 12 колб с кишечной палочкой, и с тех пор его группа поддерживает и следит за их эволюцией. Периодически образцы замораживаются, что позволяет ученым сравнивать бактерии в разные моменты времени, возвращая их к жизни.

Со временем развивающаяся кишечная палочка стала больше; после 60 000 поколений клетки примерно в два раза больше своих предков. Но сопровождалось ли это увеличение размера изменениями, которые мы ожидаем увидеть в метаболизме, размере популяции и темпах роста?

Исследователи из Центра геометрической биологии Университета Монаша сотрудничали с Ричардом Ленски, чтобы выяснить это. Результаты опубликованы сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Метаболизм определяет скорость, с которой организмы преобразуют энергию в поддержание и производство.

Хотя более крупные виды имеют более высокую скорость метаболизма, они на самом деле более эффективны и поэтому имеют более низкую скорость метаболизма по сравнению с их размером. Таким образом, в то время как более мелкие виды имеют более высокую плотность популяции и могут достичь этой плотности быстрее, общая масса популяции больше у более крупных видов (например, у мышей и слонов).

Но верно ли сказанное выше в пределах вида?

Часто диапазон размеров внутри вида не особенно велик, что затрудняет проверку выводов о размере.

Удачно названные «линии Ленского» позволяют обойти эту проблему. Лаборатория Ричарда прислала замороженные образцы исходной кишечной палочки — предков, а также образцы 10 000 и 60 000 поколений эволюции.

Руководители проекта из Школы биологических наук Университета Монаша, профессор Дастин Маршалл и доктор Майк Макдональд, приступили к возрождению клеток и измерению размера клеток , метаболизма, размера популяции и роста популяции .

«Мы обнаружили, что по мере того, как клетки становились больше в течение эволюции, скорость метаболизма увеличивалась, но была ниже по сравнению с их размером, как и предсказывает теория», — сказал профессор Маршалл.

«Теория также предполагала, что популяции более крупных клеток имели более низкую плотность населения, но более высокую биомассу, чем их более мелкие предки», — сказал он.

«Большим сюрпризом и резким контрастом с теорией стало то, что популяции более крупных клеток, несмотря на их относительно более низкий метаболизм, росли быстрее, чем более мелкие клетки».

Доктор Макдональд сказал, что часто предполагалось, что энергия, необходимая для производства новой особи, прямо пропорциональна ее массе, но этот эксперимент показал, что это не обязательно так.

«Почему тогда более крупная ячейка будет дешевле строить и обслуживать?»

Клетки E. coli расходуют много энергии на поддержание градиента ионов через клеточные мембраны. Поскольку более крупные ячейки имеют меньшую площадь поверхности по отношению к массе, они также должны иметь более низкие затраты на техническое обслуживание, чем более мелкие ячейки. Эволюционирующие клетки также имеют немного меньшие геномы, чем меньшие предковые клетки, поэтому затраты на репликацию генома ниже для более крупных клеток.

Кроме того, эволюционировавшие клетки точно настроили свои генетические компоненты в этой весьма предсказуемой среде, уменьшив дорогостоящую экспрессию ненужных транскриптов и белков.

«Примечательно, что эволюция может отделить затраты на производство от размера; нет никаких недостатков в увеличении скорости роста для более крупных эволюционировавших клеток с точки зрения выхода», — сказал доктор Макдональд.