Parabolanoi

"Ciertamente aprecio la distinción entre causas cercanas y últimas. Diría que estaba realmente más interesado en esto último cuando comencé. Pero después de trabajar tanto tiempo con una organización modelo como E. coli , y con la ventaja de empleados y estudiantes talentosos que tienen diferentes habilidades e intereses, me di cuenta de la oportunidad de integrar cosas y profundizar mecanismos. Sin embargo, una cosa con la que lucho es cómo utilizamos el término "mecanismo": para muchos biólogos, parece significar solo explicaciones moleculares o químicas. Pero yo diría que la selección natural también es un mecanismo, solo opera en un nivel diferente."

Richard Eimer Lenski 

"Cuando comencé a trabajar con bacterias, uno de los atractivos obvios fue su rápida generación. Esto es lo que nos permite ver la evolución en acción. Pero ahora me doy cuenta de que la capacidad de congelar bacterias y revivirlas es una parte aún más importante de nuestro trabajo. Nos permite comparar e incluso competir directamente con organismos que han vivido en diferentes momentos. En efecto, podemos hacer experiencias de viaje en el tiempo.

Y sí, las 12 líneas han mejorado mucho en el uso de glucosa. Crecen más rápido que el ancestro, son más eficientes y compiten con el ancestro en el medio de glucosa, donde evolucionaron. Para un biólogo evolutivo, estos cambios no son sorprendentes. Pero es una buena, clara y simple demostración de adaptación por selección natural en tiempo real."

Richard Eimer Lenski 

"Cuando enseño a estudiantes o doy conferencias a personas que hoy escuchan mucho sobre genes y ADN, señalo que Darwin no sabía nada sobre la base material de la herencia. Sabía que había herencia, y sabía que era importante para su teoría, pero no sabía cómo funcionaba. Y era consciente de su ignorancia, escribió en El origen de las especies que "nuestra ignorancia de las leyes de variación es profunda". Daniel Dennett dijo muy bien que "el proceso de selección natural es un sustrato neutral". Es por eso que Darwin y Wallace podrían comenzar a dar sentido a la evolución sin saber nada sobre la base bioquímica de la herencia."

Richard Eimer Lenski 

"Dado que E. coli es un organismo unicelular, no tiene que desarrollarse en el sentido habitual. Pero las células tienen un ciclo de vida de tipos y vidas sobre las cuales cambian las circunstancias. Comprender cómo las bacterias obtienen información de sus entornos y usar esa información para activar y desactivar genes ha sido parte de la genética microbiana, como lo demuestra el trabajo de François Jacob y Jacques Monod sobre el operón lac , que ganó un Premio Nobel. Este trabajo también fue muy influyente para hacer que las personas pensaran sobre el papel de la regulación genética en el desarrollo de organismos multicelulares.

Pensando en historias de vida en el contexto de LTEE, todos los días, las bacterias se diluyeron en un medio nuevo, y cada día experimentan una serie de fases de crecimiento que corresponden a diferentes estados fisiológicos. Hay una fase de latencia cuando las células se preparan para comenzar a crecer nuevamente en recursos renovados. Esto es seguido por un crecimiento exponencial, cuando la población celular está creciendo a la tasa máxima para las condiciones. Pero a medida que aumenta el número de células, atraen glucosa y, una vez agotadas, entran en lo que se llama una fase estacionaria. No mueren sustancialmente durante la fase estacionaria, al menos no cuando es tan breve como en LTEE. De todos modos, descubrimos que las bacterias no solo desarrollan un crecimiento exponencial más rápidamente, También reducen sustancialmente la duración de la fase de latencia antes del crecimiento. Por lo tanto, evolucionaron para responder más rápidamente a la transición a un medio fresco o tal vez para terminar en una fase estacionaria mejor preparada para esta próxima transición.

Además, las 12 cepas crean células que son mucho más grandes que las de la cepa ancestral. Esta fue otra sorpresa y parece contradictoria en muchos sentidos. Primero, los organismos más grandes generalmente crecen más lentamente y tienen tiempos de generación más largos que los más pequeños. Piense en elefantes versus ratones, por ejemplo. Sin embargo, en LTEE desarrollamos células que son más grandes, crecen más rápido y tienen tiempos de generación más cortos que sus antepasados. En segundo lugar, desde una perspectiva funcional, si me hubiera preguntado al comienzo de LTEE si las células bacterianas evolucionarían para hacerse más pequeñas o más grandes, habría predicho menos porque eso les daría una mayor proporción de superficie para volumen, que parece ventajoso en la adquisición de recursos. Pero las bacterias claramente tenían una opinión diferente, por así decirlo, porque se hicieron mucho más grandes y en la mayoría de los casos son un poco más redondas y más pequeñas en forma de varilla, lo que reduce aún más la relación área / volumen. Entonces, ¿qué está pasando? De nuevo, no lo sé, pero creo que las células más grandes pueden tener una ventaja, porque son esponjas más grandes. Aunque su relación área / volumen es menos favorable, cada celda grande tiene más área de superficie total que cada celda pequeña. En LTEE hay una carrera todos los días para obtener la mayor cantidad de glucosa posible antes de que se agote. Una célula más grande puede contener las moléculas de glucosa que ingiere y pasarlas a sus células hijas. Entonces, tal vez las celdas más grandes, cuando se ven deslucidas desde un punto de vista de ingeniería, son una inversión materna en el futuro de los niños. Eso sería genial."

Richard Eimer Lenski 

"Existe esta maravillosa tensión entre la aleatoriedad de todo y la previsibilidad de ciertos aspectos, y esa interacción es simplemente fascinante. De eso se trata el experimento y está escrito en el ADN del experimento en sí... Yo diría que está escrito en las experiencias de todos nosotros."

Richard Eimer Lenski 

"Los resultados son ciertamente consistentes con los elementos básicos de la teoría de la evolución. Estos elementos son muy simples y bien entendidos: la mutación y la recombinación generan variaciones hereditarias, y la selección y la deriva afectan el destino de las variantes. (Aunque las bacterias en LTEE no tienen recombinación en el sentido del intercambio genético). Sin embargo, desde "este punto de vista de la vida", para repetir las palabras de Darwin y su nombre, "infinitas formas más hermosas y maravillosas tienen, y siguen evolucionando ". Puede parecer deprimente, con la ventaja del descubrimiento científico, decir que toda evolución se reduce a algunos procesos básicos. Pero la física también se reduce a unas pocas fuerzas fundamentales como la gravedad, el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuertes y débiles. Sin embargo, juntos, dieron lugar a los elementos y la química, así como estrellas, galaxias y sistemas solares. En la misma línea, los principales procesos de evolución orgánica producen dinámicas y fenómenos como la especiación y la fascinante cooperación a un nivel superior.

Ahora, volviendo a algunas sorpresas LTEE que no podrían haberse previsto, o al menos no fueron lo que esperaba desde el principio. Estoy tentado a decir que, además del hecho de que la bacteria es más apta, casi todo ha sido impredecible, sin duda los detalles de lo que ha cambiado genéticamente, pero también muchos de los interesantes cambios fenotípicos. Ya he mencionado varios de ellos: la evolución de las tasas de mutación más altas, las células más grandes, el polimorfismo estable, a pesar de la simplicidad del medio ambiente y la evolución de la capacidad de usar citrato. Sobre este último punto, quizás lo más sorprendente fue "¡Guau, eso sucedió!" "Gee, ¿por qué es tan difícil para una sola población descubrirlo incluso después de 60,000 generaciones?"

En un nivel más abstracto, me sorprendieron otros dos resultados. Cuando comencé LTEE, pensé que las poblaciones replicadas seguirían caminos muy diferentes y que su divergencia sería obvia con solo mirar las trayectorias de aptitud física. En la metáfora de Sewall Wright, imaginé que el paisaje adaptativo sería robusto, con múltiples picos, de tal manera que las poblaciones alcanzarían diferentes niveles de aptitud física en función de la suerte de sus primeros pasos mutacionales.

Como dije antes, es el caso de que cuanto más vemos LTEE, más vemos que las poblaciones han divergido mucho en términos de su estado físico y genética. Aún así, me sorprendió que las trayectorias de aptitud física sean tan similares y que haya habido un gran paralelismo genético.

Aún más sorprendente para mí, pensé que las trayectorias de estado físico se nivelarían, que las bacterias alcanzarían una asíntota, o el límite superior, más allá del cual no podría crecer más rápido. Hemos visto una tasa de mejora en el estado físico lento con el tiempo, pero disminuye de una manera que se ajusta a una relación con el modelo de ley de poder (poder / ley) que no tiene límite superior, sino que controla el logaritmo del tiempo. El modelo de ley de potencia no solo se ajusta a los datos mucho mejor que un modelo asintótico, también hemos demostrado que es predictivo. Por ejemplo, con solo 5,000 generaciones de datos de aptitud física, el modelo de ley de potencia predice la trayectoria muy bien para 50,000 generaciones. Ahora bien, puede haber algún último límite, pero incluso si extrapolamos la trayectoria de millones de generaciones, Las tasas de crecimiento implícitas y los efectos de aptitud que estarían sujetos a selección son biológicamente razonables y plausibles. Los biólogos evolutivos generalmente piensan en entornos cambiantes, incluida la coevolución con otras especies, como lo que mantiene la evolución. Por supuesto, los cambios ambientales son una gran parte de la naturaleza y extremadamente importantes para comprender la evolución. Pero nuestros resultados también sugieren que la evolución puede encontrar formas de mejorar, incluso en un mundo constante. Espero que LTEE pueda continuar por muchas generaciones más, y aquí me refiero a generaciones de científicos, para ver si esta predicción se cumple y para ver que surgen otras sorpresas de la potente mezcla de bacterias, tiempo y habilidad humana. Los biólogos evolutivos generalmente piensan en entornos cambiantes, incluida la coevolución con otras especies, como lo que mantiene la evolución. Por supuesto, los cambios ambientales son una gran parte de la naturaleza y extremadamente importantes para comprender la evolución. Pero nuestros resultados también sugieren que la evolución puede encontrar formas de mejorar, incluso en un mundo constante. Espero que LTEE pueda continuar por muchas generaciones más, y aquí me refiero a generaciones de científicos, para ver si esta predicción se cumple y para ver que surgen otras sorpresas de la potente mezcla de bacterias, tiempo y habilidad humana. Los biólogos evolutivos generalmente piensan en entornos cambiantes, incluida la coevolución con otras especies, como lo que mantiene la evolución. Por supuesto, los cambios ambientales son una gran parte de la naturaleza y extremadamente importantes para comprender la evolución. Pero nuestros resultados también sugieren que la evolución puede encontrar formas de mejorar, incluso en un mundo constante. Espero que LTEE pueda continuar por muchas generaciones más, y aquí me refiero a generaciones de científicos, para ver si esta predicción se cumple y para ver que surgen otras sorpresas de la potente mezcla de bacterias, tiempo y habilidad humana. Los cambios ambientales son una gran parte de la naturaleza y extremadamente importantes para comprender la evolución. Pero nuestros resultados también sugieren que la evolución puede encontrar formas de mejorar, incluso en un mundo constante. Espero que LTEE pueda continuar por muchas generaciones más, y aquí me refiero a generaciones de científicos, para ver si esta predicción se cumple y para ver que surgen otras sorpresas de la potente mezcla de bacterias, tiempo y habilidad humana. Los cambios ambientales son una gran parte de la naturaleza y extremadamente importantes para comprender la evolución. Pero nuestros resultados también sugieren que la evolución puede encontrar formas de mejorar, incluso en un mundo constante. Espero que LTEE pueda continuar por muchas generaciones más, y aquí me refiero a generaciones de científicos, para ver si esta predicción se cumple y para ver que surgen otras sorpresas de la potente mezcla de bacterias, tiempo y habilidad humana."

Richard Eimer Lenski 

"Se estaba convirtiendo en gangbusters, más de 10.000 generaciones. Pero un par de cosas me hicieron pensar en posiblemente terminarlo."

Richard Eimer Lenski 

"Todos comenzaron con la misma cepa ancestral, con la excepción de un marcador genético que se incorporó al experimento para contar cepas de intervalo. Como parte de su disertación, Mike Travisano (actualmente profesor de la Universidad de Minnesota) demostró que, si bien las 12 poblaciones eran igualmente adecuadas cuando competían en el mismo entorno que LTEE, eran mucho más heterogéneas si competían en entornos con diferentes azúcares. glucosa, que había evolucionado a 2000 generaciones en ese momento. Uno de los azúcares alternativos era la maltosa, que es di-glucosa, pero eso marcó una gran diferencia. Algunas de las poblaciones que desarrollaron glucosa eran mucho menos capaces que otras cuando competían por la maltosa, y de hecho, algunas de ellas eran incluso menos capaces que sus antepasados. Luego, Mike preguntó qué pasaría si las cepas evolucionaran de la glucosa y se le dio la oportunidad de evolucionar más de 1000 generaciones en el mismo entorno, excepto con maltosa, en lugar de glucosa como recurso limitante. ¿La historia estaría destinada? ¿Las diferencias en las oportunidades que surgieron mientras evolucionaban en glucosa limitaron su futuro potencial en maltosa? ¿O se borraría la historia con los rezagados que alcanzaron a los líderes porque tenían más formas de mejorar? Cuando Mike realizó este experimento, el equipo dominó la historia, es decir, los rezagados casi atraparon a los líderes. Por lo tanto, a pesar de las grandes diferencias en el crecimiento de maltosa que surgieron durante las últimas 2000 generaciones de glucosa, después de 1000 generaciones de maltosa todas las líneas teníanaptitud en este nuevo entorno.

Al final de este documento, sin embargo, se reconoció que las restricciones impuestas por la historia pueden volverse más importantes, o incluso insuperables, en un plazo más largo. Escribimos que "la huella de la historia puede llegar a ser demasiado profunda para ser oscurecida incluso por una selección intensa". Cuanto más tiempo se ejecuta LTEE, más vemos que cada población tiene su propio camino evolutivo y personalidad, a veces las diferencias son grandes, y otras son sutiles. Pero esto plantea la posibilidad de que algunas poblaciones puedan, y eventualmente, llegar a ser tan pobres en el uso de maltosa que, si se mudan a un entorno de maltosa, se extinguirían o al menos tardarían más de 1000 generaciones en adaptarse bien. a este azúcar De hecho, un estudiante actual, Jay Bundy,"

Richard Eimer Lenski 

"Uno de los puntos importantes que plantea es que los cambios que vemos en LTEE, que es nuestra forma abreviada para el experimento de evolución a largo plazo (depende de las nuevas mutaciones que ocurrieron durante el experimento) . Por supuesto, la variación genética es necesaria para la adaptación por selección natural. En la mayoría de los sistemas, ya sea moscas de la fruta en el laboratorio o pinzones en las Islas Galápagos, hay muchas variaciones genéticas presentes al comienzo de un estudio. Pero en LTEE, todos los cambios que vemos son impulsados ​​por nuevas mutaciones que surgen durante el curso del experimento.

Ciertamente hay muchas mutaciones diferentes que pueden ocurrir. Por lo tanto, teniendo en cuenta las mutaciones puntuales, hay alrededor de 14 millones de posibilidades: hay 4,6 millones de pares de bases en el genoma de la cepa de E. colipara usar, y hay 3 alternativas en el código genético en cada una de estas posiciones. Además, hay deleciones, inserciones y otros tipos de mutaciones. De hecho, sin embargo, es sorprendentemente probable que pueda ocurrir exactamente lo mismo, al menos las mismas mutaciones, en todas las poblaciones porque las poblaciones son muy grandes. Sin pasar por las matemáticas, calculo que se han producido algo así como mil millones de mutaciones puntuales en cada una de las 12 poblaciones a lo largo de LTEE. Esto es mucho más de lo que existe en diferentes mutaciones puntuales, lo que significa que todas las posibilidades se han probado muchas veces. Dicho esto, sin embargo, la mayoría de las mutaciones, incluso las que son más beneficiosas, se han perdido debido a la deriva genética aleatoria antes de poder establecerse en una población en evolución. Además, Las mutaciones no ocurren en el mismo orden en diferentes poblaciones debido a estos efectos aleatorios. Y a medida que algunas mutaciones beneficiosas se afianzan, aumentan en abundancia y eventualmente se fijan en una población, cambian el contexto genético o el contexto en el que surgen las mutaciones futuras. Por lo tanto, si bien el conjunto de mutaciones de un solo paso puede ser razonablemente finito, al menos, dado el gran tamaño de las poblaciones bacterianas, el número de vías posibles es esencialmente infinito. ¡Creo que esto es realmente emocionante! Si bien el conjunto de mutaciones de un solo paso puede ser razonablemente finito, al menos dado el gran tamaño de las poblaciones bacterianas, el número de vías posibles es esencialmente infinito. ¡Creo que esto es realmente emocionante! Si bien el conjunto de mutaciones de un solo paso puede ser razonablemente finito, al menos dado el gran tamaño de las poblaciones bacterianas, el número de vías posibles es esencialmente infinito. ¡Creo que esto es realmente emocionante!

Volviendo a nuestros resultados sobre cómo las bacterias se adaptaron a la glucosa, una de las cosas que es gratificante de una larga experiencia es cómo han surgido nuevas tecnologías con el tiempo y que nunca podría haber imaginado. El genoma fue secuenciado cuando comencé = LTEE, pero ahora hemos secuenciado cientos de genomas para encontrar las mutaciones que se han acumulado en el camino. Lo que vemos es una fascinante mezcla de previsibilidad e imprevisibilidad. Por un lado, casi nunca vemos que se corrija exactamente la misma mutación en las mismas dos poblaciones replicadas. Por otro lado, vemos muchos casos, mucho más de lo que cabría esperar por casualidad, donde los mismos genes tienen mutaciones diferentes en varias o incluso en las 12 poblaciones. Estos son los casos, entonces, de una evolución paralela,

Ahora puede preguntarse, quizás estos cambios paralelos no ocurren porque la selección favoreció los cambios fenotípicos causados ​​por las mutaciones, sino que los genes son de alguna manera puntos calientes de mutación. Esto es plausible, pero otra cosa buena es trabajar con E. coliy que podemos profundizar y probar nuestra hipótesis de que estas mutaciones paralelas confieren una ventaja. Podemos hacer construcciones isogénicas en las que movemos mutaciones individuales, manteniendo todo lo demás igual, y luego ponemos cepas para competir con y sin una mutación de interés. Hicimos esto para algunos de los genes que hemos visto cambios paralelos, y en la mayoría de los casos hemos confirmado que estas mutaciones proporcionan una ventaja medible en las condiciones en que evolucionaron.

Pero en este contexto de paralelismo o repetibilidad, cuanto más ha funcionado LTEE, más vemos que cada población está realmente siguiendo su propio camino. Algunas de las diferencias son sutiles, pero otras son más dramáticas. Déjame darte algunos ejemplos:

- La cepa ancestral comenzó con una pequeña tasa de mutación, pero seis poblaciones desarrollaron hipermutabilidad, lo que aumenta la tasa del punto de mutación en aproximadamente 100 veces.

- Una población ha desarrollado un polimorfismo estable en el que dos linajes ecológicamente distintos, y han coexistido durante más de 50 mil generaciones.

- Otra población ha desarrollado la capacidad de usar una segunda fuente de carbono, llamada citrato, que ni el ancestro ni ninguna de las otras cepas podrían usar; el citrato está en el medio como agente quelante, y E. coli normalmente no puede crecer en él.

- Más sutilmente, una población ha quedado atrapada en el peldaño más bajo, por así decirlo, durante mucho tiempo; Es decir, decenas de miles de generaciones han sido consistentemente menos capaces que cualquier otra población.

Entonces, lo que vemos es esta profunda tensión entre el azar y la necesidad, entre la aleatoriedad de las mutaciones y la deriva genética, por un lado, y la previsibilidad de la selección natural, ya que descubre soluciones similares cuando poblaciones idénticas se enfrentan con el mismo retos ambientales. Y los dos conjuntos de fuerzas, aleatorias y predecibles, por así decirlo, juntas dan lugar a lo que llamamos historia."

Richard Lenski