Name: microbial adaptation in changing environments
Uploaded: 2026-03-12T13:57:34.000Z
Duration: 1 min 24 s
Channel: JoVE

Микробы быстро эволюционируют из-за коротких поколений и больших размеров популяций, что делает их идеальными для лабораторного изучения эволюции.Естественный отбор влияет на существующие варианты аллелей в популяции, делая группы с полезными вариантами более многочисленными в изменяющихся условиях.Например, в анаэробных условиях Rhodobacter использует свет для фотосинтеза, используя пигменты бактериохлорофилл и каротиноиды.В длительной темноте пигменты родобактера оказывают мало пользы, отдавая предпочтение мутантам с дефицитом пигмента в популяции. Но дикий тип доминирует, когда возвращается свет.Другой пример — продолжающийся «Эксперимент по долгосрочной эволюции». Она была основана в 1988 году с 12 идентичными популяциями E. coli , растущих в условиях с ограниченным содержанием глюкозы.С тех пор этот эксперимент охватил более 80 000 поколений.Со временем одна популяция E. coli получила редкую мутацию. И это позволило этой популяции метаболизировать цитрат в условиях, богатых кислородом.Эта мутация обеспечила доступ к новому источнику питательных веществ и конкурентное преимущество перед их предками.

Эволюция новых признаков у микробов

Микроорганизмы быстро эволюционируют благодаря своим большим размерам популяций и коротким срокам генерации, часто демонстрируя измеримые изменения в течение нескольких дней в лабораторных условиях. Естественный отбор действует на устойчивую генетическую вариативность, позволяя сохранять и усиливать полезные черты, придающие преимущества приспособленности в изменяющихся условиях.<h3>Адаптивная регуляция пигмента у родобактера</h3>В родобактере, роде пурпурных несерных бактерий, светособирающие пигменты, такие как бактериохлорофилл и каротиноиды, обеспечивают фотосинтез в анаэробных, освещённых условиях. Экспрессия этих пигментов строго регулируется уровнем кислорода и освещения окружающей среды, чтобы соответствовать фотосинтетической активности.Однако в темноте пигменты не приносят функциональной пользы, а наоборот, накладывают энергетическую нагрузку. В результате мутанты, лишённые этих пигментов, появляются и предпочитаются в тёмных условиях из-за снижения метаболических затрат. Тем не менее, когда свет снова становится доступен, эти мутанты с дефицитом пигмента вытесняются клетками дикого типа, способными к фотосинтезу.Этот паттерн обратимого отбора демонстрирует адаптивный компромисс, когда колебания окружающей среды смещают баланс между метаболической эффективностью и приобретением энергии.<h3>Долгосрочный эксперимент по эволюции E. coli</h3>Ещё одним ярким примером микробной эволюции является Эксперимент по долгосрочной эволюции (LTEE), инициированный Ричардом Ленски в 1988 году. Это продолжающееся исследование отслеживало популяции Escherichia coli , культивируемые в среде с ограниченным содержанием глюкозы, на протяжении более 80 000 поколений. Со временем эти линии приобрели различные адаптации, включая увеличение размера клеток, более быстрый рост и оптимизированные метаболические пути.<h3>Эволюция использования цитратов</h3>Особенно примечательно, что одна из линий развила способность метаболизировать цитрат в аэробных условиях — черта, обычно отсутствующая у диких кишечных палочков, которые не могут импортировать цитрат в присутствии кислорода. Эта инновация позволила мутантному штаму использовать иначе недоступный ресурс, получив значительное селективное преимущество.Генетический анализ показал, что этот признак возник в результате серии мутаций — сначала устанавливая потенциал использования цитратов (потенциации), а затем мутации, обеспечивающие его фактическую экспрессию и транспортировку (актуализацию). Это открытие подчёркивает взаимодействие случайности, мутации и естественного отбора в эволюционных инновациях.Вместе эти исследования демонстрируют, как микробные системы служат динамическими моделями для наблюдения за эволюционными процессами в реальном времени. Они демонстрируют как детерминированные силы, так и стохастические события, которые движут биологическим разнообразием и инновациями.

Microorganisms evolve rapidly due to their large population sizes and short generation times, often exhibiting measurable changes within days under ...

https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/40722/40722_article_thumb_40722.jpg

Education

JoVE Core

Microbiology

Микробиология

Unit

Единица

Microbial Evolution

Микробная эволюция

KEY TERMS AND CONCEPTS

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

Evolution of New Traits in Microbes

microbial adaptation in changing environments

Microbial adaptation in changing environments can happen very quickly. Microorganisms often evolve fast because they have large population sizes and short generation times. In the lab, these changes can sometimes be measured within days.

Natural selection acts on standing genetic variation, which is the genetic diversity already present in a population. When conditions change, helpful traits can be kept and increased because they improve fitness. This lets microbes respond to new pressures without waiting for brand-new mutations.

One example is Rhodobacter, a group of purple non-sulfur bacteria. These cells use light-harvesting pigments such as bacteriochlorophyll and carotenoids to support photosynthesis when oxygen is low and light is available. Their pigment production is tightly controlled by oxygen and light levels.

In darkness, those pigments no longer help the cells. They also cost energy to make and maintain. Because of that cost, mutants that lose the pigments can be favored in the dark. When light returns, wild-type cells that can photosynthesize again outcompete the pigment-deficient mutants. This is a reversible selection pattern that shows a trade-off between saving energy and capturing light.

A second major example is the Long-Term Evolution Experiment, or LTEE, started by Richard Lenski in 1988. The study has followed Escherichia coli grown in a glucose-limited medium for more than 80,000 generations. Over time, these lineages evolved changes such as larger cell size, faster growth, and better metabolic pathways.

The best-known LTEE result is one lineage that gained the ability to use citrate under aerobic conditions. Wild-type E. coli usually cannot import citrate when oxygen is present, so this trait opened access to a new food source. Genetic analysis showed that the trait appeared through a series of mutations. First came potentiation, which created the potential for citrate use. Then later mutations enabled actualization, or the real expression and transport of citrate.

Together, these microbial studies show evolution in real time. They highlight how mutation, natural selection, chance, and environmental change can work together to create new traits and shape biological diversity.

Microbial Adaptation in Changing Environments

microbial-adaptation-in-changing-environments

origin of cellular life

How Early Cells Got Their Start

Early cellular life began under the harsh conditions of early Earth, where simple chemicals could form more complex organic molecules. Experimental evidence supports the idea that RNA nucleotides, amino acids, and lipids could arise spontaneously in this environment. Volcanic activity, strong UV radiation, and an atmosphere with little or no free oxygen likely helped drive these reactions. Hydrothermal vents on the ocean floor are considered one likely setting for the first life forms. These...

origin of photosynthesis

How Photosynthesis Changed Earth

Photosynthesis changed Earth’s atmosphere and made complex life possible. It began about 3.4 to 3.8 billion years ago, when the first photosynthetic organisms used light energy to build organic compounds. These early organisms were anoxygenic phototrophs, which means they made food from light but did not release oxygen. Early photosynthesis used hydrogen sulfide (H2S) or ferrous iron (Fe2+) as electron donors instead of water. Because of that, it did not produce molecular oxygen (O2) as a...

evolutionary processes in microbes

How Microbes Gain New Traits

Microbes gain new traits through fast genetic change. Their short generation times help evolution happen quickly. Mutation, horizontal gene transfer, recombination, and genetic drift all contribute to this process. Together, these mechanisms help microbial populations adjust to changing environments. Horizontal gene transfer, or HGT, moves genes between different species. It happens in three main ways: conjugation, transformation, and transduction. Conjugation requires direct cell-to-cell...

evolution of new traits in microbes

Microbial adaptation in changing environments can happen very quickly. Microorganisms often evolve fast because they have large population sizes and short generation times. In the lab, these changes can sometimes be measured within days. Natural selection acts on standing genetic variation, which is the genetic diversity already present in a population. When conditions change, helpful traits can be kept and increased because they improve fitness. This lets microbes respond to new pressures...

evolution of microbial genome

Microbial Core and Pan-Genome Changes

Microbial genomes change through gene gain and gene loss. These changes help microbes adapt to new environments and to other organisms they live with. In many species, genome evolution is fast and ongoing. A key idea is the difference between the core genome and the pan-genome. The core genome is the set of genes shared by all sampled strains of a species. These genes support basic cell functions. For example, Salmonella enterica has about 2,800 core genes, although the exact number can change...

microbial phylogeny

Reading Microbial Family Trees

Reading microbial family trees helps scientists study how microorganisms are related. These trees are important in microbial ecology and taxonomy. They use molecular sequences such as DNA, RNA, or proteins to compare bacteria and archaea and trace genetic changes over time. A phylogenetic tree has tips, branches, and nodes. The tips are the species that are sampled or still alive. The branches show evolutionary paths, and branch length reflects the number of genetic changes between nodes.

phylogenetic species concept in microbiology

phylogenetic-species-concept-in-microbiology

How DNA Defines Microbial Species

The phylogenetic species concept helps define microbial species by looking at DNA and evolutionary relatedness. It focuses on shared ancestry and genetic traits that can be diagnosed in different organisms. This approach is especially useful in microbiology, where other species concepts often do not work well. Traditional morphological and biological species concepts rely on body form or reproduction. Those methods can fall short for microbes because many reproduce asexually, show little...

key terms and concepts

See how microbes adapt through natural selection, pigment changes in Rhodobacter, and the E. coli LTEE, including the evolution of citrate use.

Microbial Adaptation in Changing Environments | JoVE K12

JoVE Core Microbiology provides an engaging introduction to the microbial world and its influence on health, industry, and the environment. This comprehensive collection covers key concepts such as microbial structure, metabolism, genetics, and ecology. It introduces essential laboratory techniques and microscopy methods through visually engaging animations. Corresponding scientist-in-action videos bridge classroom concepts with real-world research and applications.

microbiology

Microbial Adaptation in Changing Environments

Description

Transcript

Tags