داخل تجربة الدكتور ريتشارد لينسكي الطموحة التي استمرت 30 عامًا

ما 60،000 أجيال من البكتيريا أخبرنا عن عالمنا

الفن: ناتاليا زان

إلى أي مدى يمكن أن تتبع شجرة عائلتك؟

أصبحت نسبتي غامضة حول جدتي الخامسة: ريبيكا إلسورث من نيويورك. يمكن للملكة إليزابيث (التي تبدو أنها أفضل مني بحفظ السجلات أكثر مني) أن ترجع نسبها إلى جدها الثاني والثلاثين: الملك ألفريد العظيم من ويسيكس. لكن حتى الملوك البريطانيين يجدون صعوبة في مواكبة الكونفوشيوسية. لقد تتبع أحفاد هذا الفيلسوف الصيني بعناية أكثر من 80 جيلًا من أصل الأجداد.

فاز خط كونفوشيوس بجائزة لأنساب الأنساب الموثقة في الجنس البشري ، لكن توسيع المنافسة ليشمل جميع أشكال الحياة يجعلهم في مركز الوصايا البعيدة.

يقوم عالم الأحياء التطوري ريتشارد لنسكي من جامعة ولاية ميشيغان بإجراء تجربة باستخدام بكتريا الأمعاء المتواضعة Escherichia coli منذ عام 1988. نظرًا لأن هذه البكتيريا قادرة على بدء جيل جديد كل 20 دقيقة تقريبًا في ظل ظروف مختبرية مثالية ، تمكن فريق Lenski من المراقبة بعناية والحفاظ على أكثر من 60،000 أجيال من أصل القولونية.

لا يمكن لعائلة بشرية أن تتنافس مع سجل الأنساب لهذه البكتيريا ... البشر المعاصرون تشريحيا لم يتواجدوا إلا منذ حوالي 12000 جيل. نظرت فقط إلى أجدادي لأنني أردت أن أعرف إذا كنت منحدرًا من شخص مشهور (لا حظ كهذا). يحتوي مختبر Lenski على هدف مختلف تمامًا. إنهم يفهمون أن كل جيل يدخل التغيير ، وأن هذا التغيير التدريجي هو أساس كيفية تطور كل الحياة. كيف تحدث هذه التغييرات؟ ما مدى سرعة حدوثها؟ يستخدم مختبر Lenski هذا الميكروب الهضمي الصغير للإجابة على هذه الأسئلة الكبيرة.

ريتشارد لنسكي مع علبة قوارير من تجربة التطور على المدى الطويل في مختبره في جامعة ولاية ميشيغان في 26 مايو 2016. (تصوير: زاكاري بلونت)

يقوم الباحثون في المختبر بنشر الثقافات البكتيرية ومراقبتها باستمرار. كل شهرين (أو ما يقرب من 500 جيل) ، يتم الاحتفاظ بجزء من الخلايا البكتيرية في المجمدات إلى جانب جميع أسلافها كجزء من "السجل الأحفوري المجمد". لكن هذه حفريات حية - يمكن إحياء أي من هذه الثقافات للتجربة وتسلسل الحمض النووي.

على مدار تجربتهم ، شهد فريق Lenski بعض التغييرات المثيرة تنشأ. في أحد الأمثلة المتطرفة ، لاحظوا تطور سمة جديدة تمامًا: القدرة على هضم نوع جديد من الطعام.

بدأت التجربة بـ 12 مجموعة مختلفة أو سلالة مختلفة من الإشريكية القولونية والتي نشأت جميعها في البداية من خلية واحدة وكل الجلوكوز المستخدم في المرق كمصدر وحيد للكربون للطاقة. نما العلماء هذه السلالات في المرق التي تحتوي فقط على نسبة الجلوكوز قليلا ، ولكن (لأسباب فنية) صادف وجود الكثير من السيترات. يتشابه السترات مع الجلوكوز ، لكن لا يمكن لأي من سلالات الإشريكية القولونية استقلاب السترات بالطريقة التي فعلها بها الجلوكوز. في بيئة منخفضة الجلوكوز ، كانت هذه الميكروبات يتضورون جوعا.

بعد حوالي 31000 جيل ، ما زالت 11 من 12 سلالة تعتمد فقط على الجلوكوز لتوليد الطاقة ، ولكن سلالة واحدة طورت القدرة على تناول السترات أيضًا. وبالتالي ، فإن هذه البكتيريا التي تستخدم سيترات كانت قادرة على النمو بشكل أفضل في الوسائط الغنية بالجلوكوز / السيترات أكثر من 11 سلالة من الأخوة. تا دا! حدث التطور هناك على مقاعد البدلاء ، وببساطة فتح باب الفريزر يمكن أن يكشف بالضبط متى وكيف حدثت هذه التغييرات. باستخدام سجل الأحفوري المجمد مفيد ، أحيا الباحثون أسلافهم في السلالة التي أدت إلى البكتيريا أكل السيترات وأظهر الخطوات التي تحتاج إلى أن يحدث لهذه الصفة الجديدة.

لقد مر البشر بتغيرات تطورية في ما نستطيع وما لا يمكن هضمه أيضًا. إن استمرار اللاكتاز ، قدرة الإنسان البالغ على هضم اللاكتوز في سكر اللبن ، على سبيل المثال ، غالون من الآيس كريم ، إذا ما أرادت ذلك ، تطور إلى حد ما مؤخرًا. يمكن لمعظم الثدييات فقط هضم اللاكتوز كرضاعة طبيعية ، ولكن بعض مجموعات البشر يحتفظون بهذه القدرة طوال حياتهم. لا يمكننا إحياء وتسلسل مئات الأجيال من البشر ، لذلك من الصعب تحديد التفاصيل ، ولكن يُقدر أن ثبات اللاكتيز نشأ لأول مرة منذ حوالي 7500 عام (حوالي 300 جيل من الأجيال البشرية) ، بعد وقت قصير من اكتشاف البشر لكيفية التدجين. الماشية (الذهاب الشكل).

لذلك ، من أين تأتي هذه السمات الجديدة؟ تدعم أبحاث Lenski's E. coli فكرة أن السمات الجديدة تنشأ من التوليفات الصحيحة للتغيرات الوراثية العشوائية التي ، رغم أنها نادرة للغاية ، تحدث مع إعطاء الوقت الكافي. بعض طفرات الدنا لا تسبب أي تغيير واضح في الكائن الحي على الإطلاق. طفرات أخرى ضارة بشكل لا يصدق ، مثل الطفرات في جين BRCA1 البشري الذي يجعل بعض الناس عرضة للإصابة بسرطان الثدي. ولكن مرة واحدة منذ فترة طويلة جدا ، تحدث تغييرات وراثية مفيدة تجعل الكائن الحي أكثر سعادة وسعادة وإنتاجية ... كل جيل جديد لديه فرصة لاستكشاف تحسينات جديدة.

تحدث طفرات الحمض النووي المسؤولة عن السمات الجديدة بشكل عشوائي ، حتى عندما لا يكون هناك ضغط اختيار. على سبيل المثال ، تحتوي أمعائك على بكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية. مقاومة المضادات الحيوية هي سمة تمنحها الجينات ، والتي تتعرض لطفرات عشوائية طوال الوقت. إذا كنت بصحة جيدة ولا تتناول أي مضادات حيوية ، فلن يكون لهذه البكتيريا المقاومة أي ميزة على أي سلالة أخرى. تبقى ، ولكن بأعداد قليلة بالنسبة لجميع البكتيريا الأخرى الموجودة. بمجرد أن تبدأ العلاج بالمضادات الحيوية ، فإن هذه الطفرات لها ميزة. إذا تم قتل أي شخص آخر ، فيمكنه أن يزدهر ، "يكتسح" السكان ، ويحل محل سلالات أخرى.

يعتبر تحديد الدوافع والعواقب الأخرى للتطور الميكروبي مجالًا نشطًا للبحث الذي يتقاطع بين الطب وعلم الأحياء التطوري. للميكروبات تأثيرات عميقة على صحة مضيفها ، لكن ليس لها نفس حدود مضيفيها. فهي تتكاثر بشكل أسرع بكثير ، وتوجد بأعداد أكبر بكثير ، وحتى تتبادل الجينات بطرق لا يمكن للبشر القيام بها. كما يوضح لنا عمل ريتشارد لنسكي ، أن نساعد أدمغتنا الرئيسية حول المهمة التي تبدو مستحيلة وهي فهم كيف يعمل التطور في الواقع.

داروين نفسه ، بمقياسه الشريطي ومجموعة منقار الطيور ، لم يستطع إلا أن يثبت أن التطور يحدث. إن فهم كيفية حدوثه ، وما قد يجلبه لنا بعد ذلك ، هو مهمة هذا الجيل - بمساعدة بعض الميكروبات. قد يكون من الصعب على أي شخص أن يقدر أن التطور عملية مستمرة ، لكن تذكر أن عامًا واحدًا من حياتك يمثل العديد من الأجيال من الفرص التي تستحقها في مجالك الميكروبيوم ، ولك أن تتطور.

I Contain Multitudes عبارة عن سلسلة مقاطع فيديو متعددة الأجزاء مخصصة لاستكشاف العالم الخفي الرائع للميكروبيوم.