Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Каждую весну Ленски выходил на склоны гор и рыл ямки, ставил туда пластиковые стаканчики и накрывал их воронками. Жуки скатывались через воронки в стаканчики, а Ленски ежедневно приходил и считал их. Он помечал пойманных жужелиц и отпускал. Ленски отслеживал, какой вес они набирали за лето; сравнивал, сколько он поймал жужелиц вида Carabus sylvosus и сколько — Carabus limbatus; сравнивал численность жуков в густом лесу и на открытых местах.

Ленски искал закономерности. В науке выявлению закономерностей помогает многократное повторение эксперимента. Врачи при испытаниях нового лекарства задействуют тысячи людей. Физики, выясняя закономерности поведения фотона, производят миллионы лазерных импульсов. Экологи тоже стараются повторять свои эксперименты, но от них это требует гораздо больших усилий. Для своего исследования Ленски выгородил четыре отдельных участка — два в лесу, два на открытом месте — и установил на каждом из них по 16 ловушек. При таком небольшом числе испытаний Ленски мог уловить лишь слабые тени закономерностей, смутные образы сил, управляющих жуками.

В конце концов Ленски спустился с гор на землю. Придется, решил он, найти другой живой организм, изучение которого позволит отыскать хоть какие‑то ответы на мучившие его серьезнейшие вопросы. Он нашел такой организм, и им оказалась E. coli. Заглянув в колбу с E. coli, Ленски увидел в ней целую гору. Это была экосистема с миллиардами особей. Подобно жужелицам, E. coli занималась поисками пищи и продолжением рода. Охотились на нее не саламандры, а вирусы. Возможно, экосистема E. coli была проще, чем экосистема Голубого хребта, но в науке простота зачастую является достоинством. Исследователь может четко контролировать в эксперименте все факторы и без труда отслеживать влияние каждого из них.

А самое приятное — то, что E. coli, по крайней мере в теории, способна эволюционировать очень быстро. Мутации, конечно, возникают очень редко, но если в одной колбе обитают миллиарды бактерий, хотя бы несколько мутантов найдется в каждом поколении. А поскольку E. coli способна делиться каждые 20 минут, благоприятная мутация достаточно быстро распространится по колонии.

Ричард Ленски придумал простой, но мощный эксперимент. Он ограничил снабжение своих бактерий глюкозой, из‑за чего они испытывали сильное давление естественного отбора. Несколько десятилетий предки этих бактерий пировали в сахарной ванне и, естественно, успели приспособиться к такой диете. Большинство в популяции давно уже принадлежало тем бактериям, кто умел быстрее всего превращать пищу в потомство. Но в эксперименте Ленски гены, отвечавшие за максимальную скорость размножения, оказались не такими уж полезными. Его бактерии росли медленно, а иногда и вообще останавливались в росте. Любая новая мутация, позволяющая микроорганизмам выжить в таких условиях, рассуждал Ленски, должна быть подхвачена естественным отбором.

По мере того как в лаборатории ученого сменялись тысячи поколений E. coli, у них начали проявляться эволюционные сдвиги. Когда Ленски сравнил бактерии, давшие начало «его» популяции, с их потомками, новые микробы в новых условиях опять‑таки размножались быстрее. Чем больше проходило времени, тем лучше адаптировались бактерии. Через десятилетие скорость роста колоний значительно выросла. Ход эволюции не был гладким и равномерным — несколько сотен поколений бактерий могли смениться без всяких видимых изменений, но затем происходил стремительный эволюционный скачок. Пока E. coli эволюционировала и училась размножаться быстрее, Ленски заметил и другие изменения.

Студенты Ленски продолжали поддерживать созданную им династию E. coli поколение за поколением; другие ученые при помощи тех же методов проводили собственные эксперименты. Некоторые наблюдали, как E. coli адаптируется к жизни при температуре +41 °C, характерной для лихорадочного состояния. Другие напускали на колонии бактерий вирусы и смотрели, как микробы обретают резистентность, — только затем, чтобы вирусы тоже эволюционировали и нашли способ обойти их защитные механизмы, после чего весь цикл начинался сначала. Эксперимент Ленски продолжался намного дольше прочих, но даже не слишком продолжительные эксперименты помогали ученым получить поразительные результаты. К примеру, Бернард Палссон и его сотрудники из Калифорнийского университета в Сан — Диего кормили пять популяций E. coli соединением углерода — глицерином — трехатомным спиртом, который используется в производстве мыла и косметики. Нормальная E. coli с трудом питается глицерином, но Палссон сумел подстегнуть эволюцию бактерий — гурманов, ценящих глицерин. Всего через 44 дня (660 поколений E. coli) бактерии у него росли вдвое быстрее, чем основатели популяций.

Чем бы ни занималась E. coli — сражалась ли с вирусами, адаптировалась ли к глицериновой диете или училась справляться с жарой, — она, без сомнения, эволюционировала. Возможно, быстрый ход эволюции в условиях эксперимента отражает ее стремительность в естественных условиях. В конце концов, всякий раз, когда бактерия оказывается в новых условиях, давление естественного отбора на нее резко и внезапно сдвигается. Гены, позволяющие E. coli прекрасно чувствовать себя в кишечнике человека, могут мутировать в гены, лучше приспособленные к жизни в почве.

Эти эксперименты позволили ученым проанализировать механизм естественного отбора во всех подробностях, хорошенько разобравшись в конкретных мутациях, которые дают E. coli адаптивные преимущества. Каждый раз, когда бактерия делится, у нее есть лишь один шанс из ста тысяч, что произойдет мутация, которая позволит ее потомкам размножаться быстрее. Преимущество часто бывает крошечным, но все же позволяет потомкам мутантов обогнать своих собратьев. У этих потомков, в свою очередь, есть маленький шанс получить вторую мутацию, которая еще заметнее ускорит их размножение. В эксперименте Палссона, где сменилось 660 поколений E. coli, он и его коллеги сумели зарегистрировать две — три мутации в каждой популяции. По оценке Ленски, за более чем 30000 поколений его линии бактерий приобрели не менее 100 благоприятных мутаций.

Благоприятные мутации могут принимать различные формы. Некоторые изменяют один — единственный нуклеотид в составе гена — это примерно то же, что заменить в слове одну букву (например, СТОЛ на СТУЛ). Такие мутации изменяют структуру белка, за производство которого отвечает ген, и, соответственно, механизм его работы. Он может получить возможность надежнее, чем прежде, разрезать нужную молекулу или реагировать на новый сигнал. При других мутациях случайно возникает дополнительная копия участка ДНК. В эксперименте Палссона такие дублированные сегменты насчитывали от 9 до 1,3 млн пар нуклеотидов. При случайной дупликации участка ДНК могут возникать дополнительные копии старых генов. Естественный отбор иногда подхватывает такие мутации, потому что они позволяют E. coli производить больше молекул тех или иных белков, необходимых для роста и размножения. Однако со временем в одном из двух одинаковых участков ДНК могут возникнуть собственные мутации, которые позволят ему взять на себя новую функцию. Наконец, иногда мутации отщипывают от ДНК кусочки, и в некоторых случаях бактерии, потерявшие часть генетического материала, получают преимущество. Возможно, дело в том, что белки, которые когда‑то были полезны, со временем могут стать для микроорганизма обузой.