אבולוציה ניסויית

אבולוציה ניסויית היא שימוש בניסויים במעבדה או בתנאי שדה מבוקרים כדי לחקור דינמיקה אבולוציונית. אבולוציה נצפית במעבדה כאשר אנשים או אוכלוסיות מסתגלים לתנאים סביבתיים חדשים על ידי ברירה טבעית. קיימות שתי דרכים להראות הסתגלות אבולוציונית באופן ניסויי: האחת היא כאשר אורגניזם יחיד משיג מוטציה מועילה חדשה, והשנייה היא איתור שינויים בתדירות של האללים בתוך מגוון גנטי שכבר קיים באוכלוסייה נתונה של יצורים. כוחות אבולוציוניים נוספים חוץ ממוטציה וברירה טבעית, כמו סחף גנטי וזרימת גנים, יכולים גם הם למלא תפקיד או להשתלב במחקרים של אבולוציה ניסויית. האורגניזם או האוכלוסייה המשמשים לניסוי נקבעים על ידי הנסיין בהתאם להשערה שיש לבחון: הסתגלות באמצעות מוטציה או שינוי בתדירות האללים. ניסויים באבולוציה באמצעות מוטציה מתבצעים בנגיפים או באורגניזמים חד-תאיים שתחלופת הדורות אצלם מהירה, כמו חיידקים ושיבוטי שמרים אל-מיניים, משום שדרושים דורות רבים כדי שתתרחש מוטציה מסתגלת. אוכלוסיות פולימורפיות של שמרים מיניים ואל-מיניים ושל איקריוטים רב-תאיים כמו דרוזופילה, יכולות להסתגל לסביבות חדשות באמצעות שינוי תדירות האללים בתוך מגוון גנטי קיים. אף על פי שהם יותר יקרים, נערכו גם ניסויים עם אורגניזמים שתחלופת הדורות אצלם איטית. מחקרי מעבדה בשועלים ובמכרסמים הראו כי הסתגלויות ראויות לציון יכולות להתרחש בתוך 10–20 דורות בלבד, וגם בניסויים עם דגי גופי נצפו הסתגלויות בתוך דורות ספורים. לאחרונה נעשה שימוש בריצוף הגנום השלם כדי לנתח אורגניזמים או אוכלוסיות שהתפתחו בניסויים, שיטה המכונה Evolve and Resequence (E&R). שיטה זו יכולה לזהות מוטציות שמובילות להתאמה אצל פרטים משובטים או לזהות אללים שתדירותם השתנתה בתוך אוכלוסיות פולימורפיות, על ידי השוואה בין רצפי הפרטים או האוכלוסיות לפני ההסתגלות ואחריה. ההשוואה מאפשרת לאתר את האזור בתוך רצף ה-DNA שבו אירע השינוי שהביא להסתגלות. אופי ההסתגלות ומחקרי מעקב עשויים להוביל לתובנה לגבי השפעת המוטציה או האלל על פנוטיפ. בני אדם ביצעו ניסויים באבולוציה מבלי לדעת שהם עושים זאת, מאז שהחלו לביית צמחים ובעלי חיים. גידול סלקטיבי של צמחים ובעלי חיים הוביל לזנים ששונים באופן דרמטי מאבותיהם המקוריים שחיים בטבע. דוגמאות לכך הן זני הכרוב, תירס, או המספר הגדול של גזעי כלבים שונים. יכולתו של הטיפוח הסלקטיבי בידי אדם ליצור זנים עם הבדלים קיצוניים ממין בודד כבר הוכר על ידי צ'ארלס דרווין. למעשה, הוא התחיל את ספרו מוצא המינים בפרק על שונות בבעלי חיים ביתיים, בו הוא דן בפרט ביונים: Altogether at least a score of pigeons might be chosen, which if shown to an ornithologist, and he were told that they were wild birds, would certainly, I think, be ranked by him as well-defined species. Moreover, I do not believe that any ornithologist would place the English carrier, the short-faced tumbler, the runt, the barb, pouter, and fantail in the same genus; more especially as in each of these breeds several truly-inherited sub-breeds, or species as he might have called them, could be shown him. (...) I am fully convinced that the common opinion of naturalists is correct, namely, that all have descended from the rock-pigeon (Columba livia), including under this term several geographical races or sub-species, which differ from each other in the most trifling respects. — Charles Darwin, The Origin of Species אחד הראשונים שביצעו ניסוי מבוקר באבולוציה היה ויליאם דלינגר, שטיפח בסוף המאה ה-19 אורגניזמים חד-תאיים קטנים במשך שבע שנים (1880–1886) באינקובטור שנבנה במיוחד לצורך הניסוי. דלינגר העלה אט אט את הטמפרטורה של האינקובטור מ-15 עד 70 מעלות צלזיוס. התרביות המוקדמות הראו סימני מצוקה ברורים כבר בטמפרטורה של 23°C, ובוודאי שלא היו מסוגלות לשרוד ב־70°C. לעומתם, האורגניזמים שהתפתחו באינקובטור לקראת סוף הניסוי חיו בלי בעיה ב-70°C, אך לא הצליחו לשרוד יותר ב-15°C. דלינגר הגיע למסקנה כי מצא ראיה להסתגלות דרוויניסטית, וכי האורגניזמים הסתגלו לחיים בסביבה בטמפרטורה גבוהה. האינקובטור של דלינגר נהרס בטעות בשנת 1886, ודלינגר לא יכול היה להמשיך את כיוון המחקר הזה. משנות השמונים של המאה ה-19 עד 1980, התנהלו מדי פעם ניסויים באבולוציה, על ידי מגוון ביולוגים אבולוציוניים, כולל תאודוסיוס דובז'נסקי שהשפיע רבות על התחום. בדומה למחקרים אחרים שנערכו בתקופה זו בביולוגיה אבולוציונית, חלק ניכר מניסויים אלה לא שוחזרו באופן נרחב ונמשכו רק תקופות קצרות יחסית לזמן אבולוציוני. אבולוציה ניסויית בפורמטים שונים משמשת להבנת תהליכים אבולוציוניים בסיסיים במערכת מבוקרת. אבולוציה ניסויית בוצעה על אורגניזמים רב-תאיים ועל איקריוטים חד-תאיים, פרוקריוטים, ונגיפים. ניסויים דומים בוצעו גם באמצעות אבולוציה מכוונת של אנזימים, ריבוזִימים וגנים משכפלים. בשנות החמישים ערך הביולוג הסובייטי ג'ורג'י שפושניקוב ניסויים על כנימות מסוג דיסאפיס. הוא העביר את הכנימות לצמחים שלא מתאימים להן, ובכך הכריח אוכלוסיות של צאצאים פרתנוגנטיים להסתגל למקור המזון החדש, עד כדי בידוד רבייתי מהאוכלוסיות הרגילות של אותו המין. אחד הראשונים בגל החדש של ניסויים שהשתמשו באסטרטגיה זו היה המעבדה "קרינה אבולוציונית" של אוכלוסיות של תסיסנית המחקר, שהחל מייקל רוז בפברואר 1980. המחקר התחיל עם עשר אוכלוסיות, חמש מתוכן תורבתו בגילים מאוחרים יחסית וחמש תורבתו בגילים צעירים. מאז נוצרו יותר מ-200 אוכלוסיות שונות, כאשר הברירה מוכוונת למספר מאפיינים. חלק מהאוכלוסיות המובחנות שנוצרו נבררו גם "לאחור" או "הפוך", על ידי החזרתן למשטר התרבות של אבותיהן. מאות אנשים עבדו עם אוכלוסיות אלה במשך כמעט שלושה עשורים. חלק גדול מהמסמכים שנכתבו במהלך ניסוי זה נאספו בספר זבובי מתושלח. הניסויים המוקדמים בזבובים היו מוגבלים לחקר פנוטיפים, אך לא ניתן היה לזהות את המנגנונים המולקולריים, כלומר את השינויים ב-DNA שגרמו לשינויים בפנוטיפים. מצב זה השתנה עם הופעת טכנולוגיית הגנומיקה. בהמשך, תומאס טרנר טבע את המונח Evolve and Resequence (E&R), גישה שמספר מחקרים השתמשו בה בהצלחה מעורבת. אחד ממחקרי האבולוציה הניסויים המעניינים יותר נערך על ידי הקבוצה של גבריאל חדד באוניברסיטת סן דייגו. חדד ועמיתיו סיגלו זבובים לסביבות עם רמות חמצן נמוכות, מצב הידוע גם בשם היפוקסיה. לאחר 200 דורות, הם השתמשו בגישת E&R כדי לזהות אזורים גנומיים שנבחרו על ידי הברירה הטבעית בזבובים המותאמים להיפוקסיה. ניסויים עדכניים יותר עוקבים אחר תחזיות המחקר והפיתוח עם ריצוף RNA והצלבות גנטיות. מחקרים אלה, המשלבים E&R עם אימות בניסוי, אמורים לתת כלים רבי עוצמה לזיהוי הגנים שמווסתים את ההסתגלות בזבובים. לחיידקים יש דורות קצרים, גנומים בעלי רצף קל וביולוגיה מובנת היטב, לכן הם נפוצים במחקרים ניסויים של אבולוציה. אחת הדוגמאות הידועות ביותר להתפתחות חיידקים במעבדה היא ניסוי אי-קולי לטווח הארוך של ריצ'רד לנסקי. ב־24 בפברואר 1988, החל לנסקי לגדל שתים-עשרה שושלות של Escherichia coli בתנאי גידול זהים. אחת מהאוכלוסיות פיתחה את היכולת לחילוף חומרים אירובי של ציטרט מתווך הגידול והראתה צמיחה מוגברת מאוד, התפתחות שסיפקה דוגמה דרמטית לאבולוציה בפעולה. הניסוי נמשך עד היום, וכעת הוא נחשב לניסוי האבולוציה המבוקר הארוך ביותר (מבחינת דורות) שנערך אי פעם.[דרוש מקור] מאז תחילת הניסוי התחלפו יותר מ-60,000 דורות של חיידקים, ולנסקי ועמיתיו עדיין מפרסמים עדכונים שוטפים על מצב הניסויים. בשנת 1998 פתחו תיאודור גרלנד ג'וניור ועמיתיו בניסוי ארוך טווח הכולל גידול סלקטיבי של עכברים לרמות גבוהות של פעילות מרצון על גלגלי ריצה. ניסוי זה ממשיך גם עד היום, אחרי יותר מ-65 דורות. עכברים מארבע הקבוצות של "High Runner" (או בקיצור HR) התפתחו לרוץ כמעט פי שלושה סיבובי גלגל ליום לעומת עכברים מארבע קבוצות הבקרה, בעיקר על ידי ריצה מהירה יותר ולא על ידי ריצה במשך יותר דקות ביום. עכברי HR מראים יכולת אירובית מקסימלית גבוהה כאשר הם נבדקים על הליכון ממונע. הם גם מראים שינויים במוטיבציה ובמערכת התגמול של המוח. מחקרים פרמקולוגיים מצביעים על שינויים בתפקוד הדופמין ובמערכת האנדוקנבינואידית. קווי ה-High Runner הוצעו כמודל לחקר הפרעת קשב וריכוז בקרב בני אדם (ADHD), ומתן ריטלין מצמצם את גלגל הריצה שלהם לרמות של עכברי בקרה. לדגים עוקצניים יש מינים ימיים וגם מינים של מים מתוקים. מיני המים המתוקים מתפתחים מאז עידן הקרח האחרון, ויכולים לשרוד טמפרטורות קרות יותר. מדענים בדקו אם הם יכולים לשחזר את האבולוציה הזו של עמידות לקור על ידי שמירה של עוקצניים ימיים במים מתוקים קרים. נדרשו לדגים רק שלושה דורות כדי לפתח את השיפור של 2.5 מעלות צלזיוס בעמידות לקור, שנמצא בטבע אצל עוקצניים של מים מתוקים. תאים מיקרוביאליים ולאחרונה תאי יונקים מפותחים בתנאים של גישה מוגבלת לחומרים מזינים כדי לחקור את התגובה המטבולית שלהם ולהנדס תאים עם מאפיינים טובים יותר. בגלל תחלופת הדורות המהירה שלהם, חיידקים מהווים הזדמנות ללמוד מיקרו אבולוציה בכיתה. מספר תרגילים הכוללים חיידקים ושמרים מלמדים מושגים החל מהתפתחות של עמידות להתפתחות של רב-תאיוּת. עם כניסת טכנולוגיית הריצוף של הדור הבא, תלמידים יוכלו לערוך ניסוי אבולוציוני, לרצף את הגנומים שהתפתחו ואז לנתח ולפרש את התוצאות. ברירה מלאכותית ביות ביולוגיה אבולוציונית גנטיקה גנטיקה של תכונות מורכבות ביות השועלים בסיביר מדיה וקבצים בנושא אבולוציה ניסויית בוויקישיתוף עכבר רץ על גלגל (סרטון) "Experimental Evolution". Nature. Long, A; Liti, G; Luptak, A; Tenaillon, O (2015). "Elucidating the molecular architecture of adaptation via evolve and resequence experiments". Nature Reviews Genetics. 16 (10): 567–582. doi:10.1038/nrg3937. ISSN 1471-0056. PMC 4733663. PMID 26347030. "The Beagle in a bottle". Nature. 457 (7231): 824–9. בפברואר 2009. Bibcode:2009Natur.457..824B. doi:10.1038/nature07892. PMID 19212400. {{cite journal}}: (עזרה) "Evolution experiments with microorganisms: the dynamics and genetic bases of adaptation". Nat. Rev. Genet. 4 (6): 457–69. ביוני 2003. doi:10.1038/nrg1088. PMID 12776215. {{cite journal}}: (עזרה) Kawecki, T.J.; Lenski, R.E.; Ebert, D.; Hollis, B.; Olivieri, I.; Whitlock, M.C. (2012). "Experimental evolution". Trends in Ecology & Evolution (באנגלית). 27 (10): 547–560. doi:10.1016/j.tree.2012.06.001. PMID 22819306. Early Canid Domestication: The Fox Farm Experiment, p.2, by Lyudmila N. Trut, Ph.D., Retrieved February 19, 2011 Reznick, D. N.; F. H. Shaw; F. H. Rodd; R. G. Shaw (1997). "Evaluation of the rate of evolution in natural populations of guppies (Poecilia reticulata)". Science. 275 (5308): 1934–1937. doi:10.1126/science.275.5308.1934. PMID 9072971. Barrick, Jeffrey E.; Lenski, Richard E. (2013). "Genome dynamics during experimental evolution". Nature Reviews Genetics. 14 (12): 827–839. doi:10.1038/nrg3564. PMC 4239992. PMID 24166031. "Whole-Genome Resequencing of Experimental Populations Reveals Polygenic Basis of Egg-Size Variation in Drosophila melanogaster". Mol. Biol. Evol. 32 (10): 2616–32. ביוני 2015. doi:10.1093/molbev/msv136. PMC 4576704. PMID 26044351. {{cite journal}}: (עזרה) "Population-Based Resequencing of Experimentally Evolved Populations Reveals the Genetic Basis of Body Size Variation in Drosophila melanogaster". PLoS Genet. 7 (3): e1001336. במרץ 2011. doi:10.1371/journal.pgen.1001336. PMC 3060078. PMID 21437274. {{cite journal}}: (עזרה) Hass, J. W. (2000-01-22). "The Reverend Dr William Henry Dallinger, F.R.S. (1839–1909)". Notes and Records (באנגלית). 54 (1): 53–65. doi:10.1098/rsnr.2000.0096. ISSN 0035-9149. PMID 11624308. Zimmer, Carl (2011). Losos, Johnathon (ed.). Darwin Under the Microscope: Witnessing Evolution in Microbes (PDF). In the Light of Evolution: Essays from the Laboratory and Field. W. H. Freeman. pp. 42–43. ISBN 978-0981519494. Dobzhansky, T; Pavlovsky, O (1957). "An experimental study of interaction between genetic drift and natural selection". Evolution. 11 (3): 311–319. doi:10.2307/2405795. JSTOR 2405795. Marden, JH; Wolf, MR; Weber, KE (בנובמבר 1997). "Aerial performance of Drosophila melanogaster from populations selected for upwind flight ability". The Journal of Experimental Biology. 200 (Pt 21): 2747–55. PMID 9418031. {{cite journal}}: (עזרה) Ratcliff, WC; Denison, RF; Borrello, M; Travisano, M (31 בינואר 2012). "Experimental evolution of multicellularity". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (5): 1595–600. Bibcode:2012PNAS..109.1595R. doi:10.1073/pnas.1115323109. PMC 3277146. PMID 22307617. {{cite journal}}: (עזרה) Barrick, JE; Yu, DS; Yoon, SH; Jeong, H; Oh, TK; Schneider, D; Lenski, RE; Kim, JF (29 באוקטובר 2009). "Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli". Nature. 461 (7268): 1243–7. Bibcode:2009Natur.461.1243B. doi:10.1038/nature08480. PMID 19838166. {{cite journal}}: (עזרה) Heineman, RH; Molineux, IJ; Bull, JJ (באוגוסט 2005). "Evolutionary robustness of an optimal phenotype: re-evolution of lysis in a bacteriophage deleted for its lysin gene". Journal of Molecular Evolution. 61 (2): 181–91. Bibcode:2005JMolE..61..181H. doi:10.1007/s00239-004-0304-4. PMID 16096681. {{cite journal}}: (עזרה) Bloom, JD; Arnold, FH (16 ביוני 2009). "In the light of directed evolution: pathways of adaptive protein evolution". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 Suppl 1: 9995–10000. doi:10.1073/pnas.0901522106. PMC 2702793. PMID 19528653. {{cite journal}}: (עזרה) Moses, AM; Davidson, AR (17 במאי 2011). "In vitro evolution goes deep". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (20): 8071–2. Bibcode:2011PNAS..108.8071M. doi:10.1073/pnas.1104843108. PMC 3100951. PMID 21551096. {{cite journal}}: (עזרה) Salehi-Ashtiani, K; Szostak, JW (1 בנובמבר 2001). "In vitro evolution suggests multiple origins for the hammerhead ribozyme". Nature. 414 (6859): 82–4. Bibcode:2001Natur.414...82S. doi:10.1038/35102081. PMID 11689947. {{cite journal}}: (עזרה) Sumper, M; Luce, R (בינואר 1975). "Evidence for de novo production of self-replicating and environmentally adapted RNA structures by bacteriophage Qbeta replicase". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 72 (1): 162–6. doi:10.1073/pnas.72.1.162. PMC 432262. PMID 1054493. {{cite journal}}: (עזרה) Mills, DR; Peterson, RL; Spiegelman, S (ביולי 1967). "An extracellular Darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 58 (1): 217–24. Bibcode:1967PNAS...58..217M. doi:10.1073/pnas.58.1.217. PMC 335620. PMID 5231602. {{cite journal}}: (עזרה) [1] Rose, M. R. (1984). "Artificial selection on a fitness component in Drosophila melanogaster". Evolution. 38 (3): 516–526. doi:10.2307/2408701. JSTOR 2408701. PMID 28555975. Rose, Michael R; Passananti, Hardip B; Matos, Margarida (2004). Methuselah Flies. Singapore: World Scientific. doi:10.1142/5457. ISBN 978-981-238-741-7. "Genome-wide analysis of a long-term evolution experiment with Drosophila". Nature. 467 (7315): 587–90. ספט' 2015. doi:10.1038/nature09352. PMID 20844486. {{cite journal}}: (עזרה) "Sequencing pools of individuals - mining genome-wide polymorphism data without big funding". Nat. Rev. Genet. 15 (11): 749–63. נוב' 2014. doi:10.1038/nrg3803. PMID 25246196. {{cite journal}}: (עזרה) "Combining experimental evolution with next-generation sequencing: a powerful tool to study adaptation from standing genetic variation". Heredity. 114 (5): 431–40. אוק' 2014. doi:10.1038/hdy.2014.86. PMC 4815507. PMID 25269380. {{cite journal}}: (עזרה) "Experimental selection for Drosophila survival in extremely low O(2) environment". PLOS ONE. 2 (5): e490. במאי 2007. Bibcode:2007PLoSO...2..490Z. doi:10.1371/journal.pone.0000490. PMC 1871610. PMID 17534440. {{cite journal}}: (עזרה) "Experimental selection of hypoxia-tolerant Drosophila melanogaster". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108 (6): 2349–54. פבר' 2011. Bibcode:2011PNAS..108.2349Z. doi:10.1073/pnas.1010643108. PMC 3038716. PMID 21262834. {{cite journal}}: (עזרה) "Genomic basis of aging and life-history evolution in Drosophila melanogaster". Evolution. 66 (11): 3390–403. נוב' 2012. doi:10.1111/j.1558-5646.2012.01710.x. PMC 4539122. PMID 23106705. {{cite journal}}: (עזרה) Lenski, Richard E.; Rose, Michael R.; Simpson, Suzanne C.; Tadler, Scott C. (1991-12-01). "Long-Term Experimental Evolution in Escherichia coli. I. Adaptation and Divergence During 2,000 Generations". The American Naturalist. 138 (6): 1315–1341. doi:10.1086/285289. ISSN 0003-0147. Fox, Jeremy W.; Lenski, Richard E. (2015-06-23). "From Here to Eternity—The Theory and Practice of a Really Long Experiment". PLOS Biology. 13 (6): e1002185. doi:10.1371/journal.pbio.1002185. ISSN 1545-7885. PMC 4477892. PMID 26102073. Blount, Zachary D.; Borland, Christina Z.; Lenski, Richard E. (2008-06-10). "Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli". Proceedings of the National Academy of Sciences (באנגלית). 105 (23): 7899–7906. doi:10.1073/pnas.0803151105. ISSN 0027-8424. PMC 2430337. PMID 18524956. E. coli Long-term Experimental Evolution Project Site, Lenski, R. E. Artificial Selection for Increased Wheel-Running Behavior in House Mice, John G. Swallow, Patrick A. Carter, and Theodore Garland, Jr., Behavior Genetics, Vol. 28, No. 3, 1998 "Differential response to a selective cannabinoid receptor antagonist (SR141716: rimonabant) in female mice from lines selectively bred for high voluntary wheel-running behavior" (PDF). Behavioural Pharmacology. 19 (8): 812–820. 2008. doi:10.1097/FBP.0b013e32831c3b6b. PMID 19020416. Barrett, R. D. H.; Paccard, A.; Healy, T. M.; Bergek, S.; Schulte, P. M.; Schluter, D.; Rogers, S. M. (2010). "Rapid evolution of cold tolerance in stickleback". Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 278 (1703): 233–238. doi:10.1098/rspb.2010.0923. PMC 3013383. PMID 20685715. Dragosits, Martin; Mattanovich, Diethard (2013). "Adaptive laboratory evolution – principles and applications for biotechnology". Microbial Cell Factories. 12 (1): 64. doi:10.1186/1475-2859-12-64. ISSN 1475-2859. PMC 3716822. PMID 23815749. Maralingannavar, Vishwanathgouda; Parmar, Dharmeshkumar; Pant, Tejal; Gadgil, Chetan; Panchagnula, Venkateswarlu; Gadgil, Mugdha (2017). "CHO cells adapted to inorganic phosphate limitation show higher growth and higher pyruvate carboxylase flux in phosphate replete conditions". Biotechnology Progress. 33 (3): 749–758. doi:10.1002/btpr.2450. ISSN 8756-7938. PMID 28220676. Hyman, Paul (2014). "Bacteriophage as instructional organisms in introductory biology labs". Bacteriophage. 4 (2): e27336. doi:10.4161/bact.27336. ISSN 2159-7081. PMC 3895413. PMID 24478938. "A Novel Laboratory Activity for Teaching about the Evolution of Multicellularity". The American Biology Teacher. 76 (2): 81–87. 2014. doi:10.1525/abt.2014.76.2.3. ISSN 0002-7685. Mikheyev, Alexander S.; Arora, Jigyasa (2015). "Using experimental evolution and next-generation sequencing to teach bench and bioinformatic skills". PeerJ PrePrints (3): e1674. doi:10.7287/peerj.preprints.1356v1.