Голод по основным элементам определяет модель генетической изменчивости.
Эволюция довольно проста в общих чертах; обильная биологическая изменчивость позволяет естественному отбору выбирать наиболее приспособленный вариант, который воспроизводится и превосходит другие варианты в популяции.
Со времен Дарвина мы многое узнали о том, как отбор и приспособленность определяют результаты эволюции, но гораздо меньше о изменчивой части эволюции.
Пренебрежение изменчивостью как детерминантой эволюции было обычным явлением в 20-м веке, в основном из-за распространенного убеждения, что генетическая изменчивость посредством мутаций была случайной и распространенной, поэтому вряд ли могла ограничить результаты эволюции.
В ходе этого исследования Махарьян и Ференци обнаружили, что генетическая изменчивость неоднородна в различных средах и что факторы питания оказывают сильное влияние на то, какие вариации доступны организмам.
Чтобы устранить случайность мутаций в различных средах, M&F использовала строго контролируемые культуры бактерий, рост которых ограничивался каждым из наиболее важных элементов, необходимых для жизни (т. е. потребностью в углероде, кислороде, азоте, фосфоре и железе).). Один из этих элементов был лимитирующим в каждой культуре, другие были в избытке. В хемостатах организмы росли с одинаковой скоростью, поэтому уровень пищевого стресса был одинаковым, хотя лимитирующее питательное вещество было другим.
Подробный анализ мутаций в этих различных по питанию средах дает совершенно новый взгляд на природу мутаций и генетической изменчивости в эволюции. Даже при одинаковой скорости роста (т. е. одинаковом уровне физической подготовки) некоторые, но не все, ограничения в питании значительно увеличивают количество мутаций. В других средах общее количество мутаций не увеличилось, но мы обнаружили, что пропорции 16 различных типов мутаций зависят от среды.
Примечательно, что существуют более чем 100-кратные различия в наличии некоторых типов мутаций, скажем, при ограничении кислорода и фосфора.
Фосфорное и углеродное голодание индуцировало четырех-девятикратное увеличение общей частоты мутаций (на локус на поколение), тогда как азотное, кислородное и железосодержащее голодание не влияли на скорость мутаций. Интересно, что независимо от общей частоты мутаций спектры мутаций существенно различались при всех стрессах. Например, мутации IS (транспозиции вставочной последовательности) были выше при голодании по Fe и O по сравнению с C и N, и самые низкие при ограничении P. Ограничение P также вызывало большое перепроизводство BPS (замены пар оснований), в первую очередь из-за переходов GC?AT и трансверсий GC?TA. Таким образом, каждый стресс вызывал уникальный набор мутаций, доступных для последующей эволюции.
Выводы заключаются в том, что эволюционная динамика может быть сформирована воздействием определенных пищевых стрессов; питание определяет мутации! Кроме того, организмы, подвергающиеся повторяющемуся специфическому пищевому стрессу, могут накапливать различные мутации в течение длительных периодов времени, потенциально решая некоторые ранее необъяснимые закономерности архитектуры генома с течением времени. Доступность мутаций в различных средах, таким образом, является фундаментальной особенностью эволюции.