Трудно переоценить замысел этих экспериментов. Приведу замечательный пример планирования. Помните, я говорил, что бактерии во всех двенадцати колбах происходили из одного клона и были, таким образом, вначале генетически идентичными? На самом деле это не совсем так. Незадолго до начала этой работы в лаборатории Ленски изучал ген ara, встречающийся в двух вариантах: Ara+ и Ara-. Вы не сможете различить их, пока не посеете культуру бактерий в чашку с агаром, содержащим питательную среду, сахар арабинозу и краску тетразоль. Посев — распространенный в микробиологии прием, при котором на дно чашки, покрытое тонким слоем застывшего агарового геля, наносится небольшое количество жидкости, содержащей бактерии, затем чашка инкубируется. Колонии бактерий вырастают из упавших на агар капель в виде концентрических колец, питаясь находящимися в агаре питательными веществами. Если среда содержит арабинозу и краску-индикатор, то различия между двумя генами становятся очевидными: будто кто-то нагрел невидимые чернила. Колонии, содержащие Ara-, становятся красными, Ara+ — белыми. Ленски решил, что это различие удобно в качестве метки, и сделал шесть «колен» Ara+, шесть — Ara-. Использовали их исследователи, например, для того, чтобы проверять собственные лабораторные методы. Производя ежедневный ритуал посева, они тщательно следили за тем, чтобы попеременно работать с линиями Ara+ и Ara-. Таким образом, если ученые допустили бы ошибку, то она проявилась бы на красно-белом тесте. (Гениально, не правда ли? И скрупулезно. Хорошему ученому приходится сочетать эти качества.)
Но забудем пока о гене ara. Во всем остальном клоны-основатели были идентичными. Никаких других различий между Ara+ и Ara- обнаружить не удалось, так что ими действительно можно пользоваться просто как цветными маркерами, вроде колец на птичьих лапах.
Прекрасно. У нас есть двенадцать бактериальных «колен», мчащихся сквозь собственное «геологическое время», переживая циклы изобилия и голода. Останутся ли они такими же, как их предки? Или начнут изменяться? А если начнется эволюция, то будут ли все двенадцать «колен» изменяться одинаково? Как я уже говорил, питательная среда содержала глюкозу.
Не будучи единственным источником пищи, она, тем не менее, являлась ограничивающим рост колонии ресурсом. Причиной прекращения взрывного роста и выхода на плато день за днем было именно истощение запасов глюкозы. Другими словами, если бы экспериментаторы клали в колбы чуть больше глюкозы, то плато в конце каждого дня было бы выше. Если экспериментаторы решили бы добавить вторую дозу глюкозы после достижения плато, началась бы следующая стадия быстрого роста популяции — до нового плато.
В таких условиях, согласно дарвиновской теории, следует ожидать, что если произойдет мутация, помогающая отдельной бактерии использовать глюкозу более эффективно, то естественный отбор ее поддержит и мутация распространится в данной колбе, потому что мутантные бактерии будут размножаться быстрее, чем не-мутантные. Поэтому в следующую колбу бактерии-мутанты попадут в повышенной пропорции, а затем, переходя из колбы в колбу, довольно быстро добьются монополии в своем «колене». Именно это и случилось во всех двенадцати «коленах» — со сменой поколений произошло полное замещение предковых популяций бактериями, способными лучше усваивать глюкозу. Но, что самое поразительное, они добились лучшего усвоения глюкозы различными путями. То есть разные линии бактерий выработали различные наборы мутаций.
Как ученым удалось это узнать? Сравнивая уровень «приспособленности» бактерий в каждой линии с замороженными «ископаемыми» — предковыми популяциями. Напомню, «ископаемые» в данном случае — это замороженные бактерии, которые после размораживания способны нормально жить и размножаться. Как же, спросите вы, Ленски и коллеги сравнивали приспособленность бактерий с их «ископаемыми» предками? Весьма изящным образом. Образец эволюционировавшей линии отбирался и помещался в новую колбу. Туда же помещалось равное количество размороженной культуры. Разумеется, контакт с бактериями основных двенадцати линий сразу же исключался. Используемые для этого побочного опыта образцы в эксперименте участия не принимали.
Итак, перед нами колба с двумя конкурирующими культурами, «современной» и «ископаемой», и мы желаем знать, какая из линий окажется успешнее и достигнет наибольшей численности. Помните про «цветное кодирование» при помощи гена ara? Что нам потребуется, чтобы сравнить конкурентоспособность «современных» бактерий, например, из линии № 5 с «ископаемым» предком? Допустим, линия № 5 имеет ген Ara+. Тогда возьмем вариант Ara- предковой популяции, разморозим и добавим в «соревновательную» колбу. Если же линия № 5 несла вариант Ara-, то ее следовало бы смешивать с предковой популяцией Ara+. Из предыдущих работ группы Ленски было известно, что сами по себе гены Ara+ и Ara- не оказывают действия на приспособленность бактериальной популяции. Поэтому исследователи могли использовать цветные маркеры, чтобы сравнить конкурентоспособность каждого эволюционирующего «колена» с «ископаемыми» предками. Для этого надо было высадить каплю смеси из «соревновательной» колбы в чашку Петри и сосчитать, сколько колоний будут белыми, а сколько — красными.
Эксперимент Ленски. Размер бактериальной клетки в одной линии
Выше я упоминал, что приспособленность бактериальных культур с проходящими поколениями повышалась по сравнению с их предками. Все двенадцать «колен» стали успешнее выживать в условиях дефицита глюкозы. Повышение приспособленности могло идти несколькими путями. Скорость размножения бактерий всех «колен» росла от колбы к колбе, и средний размер бактериальной клетки увеличивался (см. иллюстрацию). Точками отмечены реальные данные, кривая построена при помощи численной аппроксимации. Наилучшим приближением к наблюдаемому набору данных является гипербола. Всегда есть шанс, что математическая функция порядка более высокого, чем гипербола, обеспечит лучшее приближение к набору наблюдаемых данных, но и гипербола достаточно хороша. Биологи часто прибегают к статистическому анализу данных и вписыванию приближенной кривой в наблюдаемые данные, но, в отличие от физиков, мало когда сталкиваются с настолько точным совпадением. Обычно наши данные куда запутаннее. Биолог может получить гладкую кривую только при наличии огромного количества тщательно собранных данных. Опыт Ленски прошел как по учебнику.
Эксперимент Ленски. Размер бактериальной клетки в двенадцати линиях
Как видите, основной прирост среднего размера бактериальной клетки произошел в течение первых двух тысяч поколений. Если все двенадцать «колен» увеличили в ходе эволюции средний размер бактериальной клетки, происходило ли это одним и тем же способом? Ответ — нет, и это второй интересный результат данной работы. График относится только к одной из двенадцати линий. Теперь посмотрим на соответствующие ему гиперболы для остальных «колен»: как велик разброс! Да, все они рано или поздно выходят на плато, но самое высокое плато почти вдвое выше самого низкого. Формой они также различаются: кривая, достигающая наибольшего значения после 10000 поколений, сначала растет медленнее многих других и «перехватывает инициативу» только после 7000 поколений. Не путайте эти плато с ежедневными плато численности популяции в каждой колбе: сейчас мы рассматриваем кривые в эволюционном масштабе времени, измеряемом поколениями колб, а не в индивидуальном масштабе, измеряемом часами существования в одной колбе.
Итак, увеличение размеров клетки, похоже, помогает бактериям выжить в условиях постоянного чередования изобилия и голода. Я не буду рассуждать о причинах этого (их может быть много), однако этим путем пошли все двенадцать линий. Правда, существует множество способов стать больше, что предполагает разные наборы мутаций, и, похоже, разные линии выработали в процессе эволюции разные подходы к увеличению размеров клетки. Это очень интересно. Еще интереснее то, что в некоторых случаях способ увеличения размера клетки совпал у двух линий. Ленски и другая группа его сотрудников исследовали это явление, взяв две клеточные линии Ara+1 и Ara-1, которые в течение жизни 20000 поколений шли по одной и той же эволюционной траектории, и проанализировали их ДНК. Результат оказался ошеломляющим: в клетках этих двух линий изменилась активность (уровень экспрессии) 59 генов, и в обеих линиях уровень экспрессии всех 59 генов изменился в одном и том же направлении. Без помощи естественного отбора вероятность такого параллельного, независимого изменения активности 59 генов в двух линиях была бы предельно низка. Именно о таких вещах креационисты любят говорить, что те попросту не могут произойти, поскольку вероятность совпадения ничтожна. Но в действительности это произошло! Объяснение простое: никакой случайности здесь нет. Естественный отбор постепенно отдавал предпочтение одним и тем же полезным изменениям в обеих линиях.
Плавность кривой возрастания размера клетки с ходом поколений наводит на мысль, что улучшения в клетке происходят постепенно. Но не слишком ли она плавная? Не следует ли ожидать ступеней, временных остановок на пути эволюции, пока популяция ждет следующей увеличивающей приспособленность мутации? Не обязательно. Это зависит от множества факторов, в том числе от количества вовлеченных мутаций, силы влияния определенной мутации на размер клетки, негенетических факторов, влияющих на ее размер, частоты отбора проб. Но если мы посмотрим на график роста приспособленности (а не увеличения размера клетки), то увидим несколько иную картину, которую в принципе можно интерпретировать как последовательность ступеней (см. иллюстрацию ниже). Выше я упомянул, что всегда есть вероятность существования функции, более точно аппроксимирующей набор данных, чем та, которую мы выбрали. Математики называют любую такую функцию «моделью». Наши данные можно соотнести с гиперболической моделью, однако ступенчатая модель аппроксимирует их еще точнее.
Соответствие, однако, не столь близкое, как в случае с графиком роста клеток. Ни в одном из случаев нельзя доказать, что данные полностью соответствуют избранной модели, поскольку это невозможно. Однако данные по крайней мере не противоречат предположению, что мы наблюдаем эволюционные изменения, вызванные постепенным накоплением мутаций[61].
То, что мы увидели — прекрасный пример эволюции в действии. Эволюции, происходящей прямо перед нашими глазами, эволюции тщательно документированной, описанной сравнением двенадцати независимых линий между собой и с «живыми ископаемыми» — предками, вернувшимися, словно из глубин тысячелетий, из морозильника.
Теперь мы готовы к тому, чтобы познакомиться с еще более интригующими подробностями. До сих пор мы говорили, что все двенадцать «колен» развивались примерно в одном и том же направлении, постепенно приспосабливаясь к условиям роста, и различались только одним: кто-то эволюционировал быстрее, кто-то медленнее. Однако долгий эксперимент породил одно очень важное исключение. Вскоре после поколения № 33000 произошло нечто удивительное: одна из двенадцати линий, Ara-3, внезапно словно взбесилась. Взгляните на рисунок: на оси ординат отложена оптическая плотность, или «мутность» раствора, отражающая численность бактерий в колбе. Жидкость мутнеет просто потому, что в ней много бактерий; прозрачность жидкости может быть точно измерена, и результат мы можем использовать как показатель плотности популяции.
Эксперимент Ленски. Рост приспособленности
Если вы взглянете на рисунок, то заметите, что до поколения № 33000 показатель численности бактерий линии Ara-3 колебался в районе 0,04, мало отличаясь от остальных линий. Затем, сразу после поколения № 33100, плотность популяции Ara-3 начала чрезвычайно быстро, почти вертикально, расти. Среднее значение выросло почти до 0,25, то есть в шесть раз (!). Для этой популяции наступил «золотой век». Спустя всего несколько дней типичная высота плато, на которой стабилизировалась численность бактерий в популяции, выросла в шесть раз по сравнению с недавно еще таким постоянным значением, которое демонстрировали остальные линии. Возросшая высота плато впоследствии достигалась всеми поколениями линии Ara-3, и никогда — бактериями других линий. Все выглядело так, как будто линии Ara-3 досталась большая, чем другим, порция глюкозы. Однако никто этим бактериям лишней глюкозы не давал: во все колбы помещалось одинаковое, тщательно отмеренное ее количество.
Эксперимент Ленски. Плотность популяции
Что же случилось с линией Ara-3? Ленски и двое его коллег потратили некоторое время на выяснение этого, и их усилия окупились сторицей. Произошло нечто замечательное.
Помните, я отметил, что ресурсом, ограничивающим рост популяции, является глюкоза, и линия, которая нашла бы более эффективный способ ее использования, получила бы эволюционное преимущество? Именно это и происходило во всех двенадцати «коленах». Но я говорил также о том, что глюкоза была не единственным питательным веществом в культуральной среде. Кроме глюкозы там был цитрат (лимонная кислота). Цитрата в среде было много, однако бактерия E. coli не способна его усваивать — по крайней мере, не в среде, в которой присутствует растворенный кислород (как это было в колбах Ленски). Но стоило бы хоть одной бактерии научиться усваивать цитрат, перед ней открылось бы настоящее Эльдорадо. Именно это произошло с линией Ara-3. Эта линия, и только она, внезапно обрела способность усваивать не только глюкозу, но и цитрат. Таким образом, количество пищи в колбе резко возросло, и, соответственно, резко вырос уровень плато, на котором стабилизируется популяция в конце каждого суточного цикла.
Выяснив, что случилось с загадочной Ara-3, Ленски и его коллеги продолжили работу, задавшись следующим важным вопросом. Была ли эта неожиданно появившаяся способность вызвана всего одной редкой мутацией (настолько редкой, что из двенадцати линий повезло только одной)? Была ли она, в сущности, такой же мутационной ступенью, как и другие мутации, обеспечившие ступенчатый рост приспособленности на графике выше? Ленски счел это маловероятным. Он предложил следующее объяснение. Зная средний темп мутаций в каждом гене бактерии, он вычислил, что время жизни 30000 поколений — это срок, достаточный для того, чтобы каждый ген мутировал хотя бы раз в каждой из двенадцати клеточных линий. Следовательно, маловероятно, что Ara-3 выделилась из общей массы благодаря редкости мутации. Будь это единичная мутация, ее бы открыли и в других линиях.
Но есть еще одна возможность, по крайней мере, теоретическая. Что если для того, чтобы питаться цитратом, бактериям необходима не одна мутация, а две, три, четыре? Мы не говорим сейчас о простом случае, когда эффекты двух мутаций суммируются. Если бы это было так, бактерии могли бы приобрести эти мутации порознь, в любом порядке. Любая из этих мутаций отдельно приближала бы нас на шажок к цели, предоставляла бы клетке способность частично усваивать цитрат, пусть не так эффективно, как две мутации вместе. Мутации такого типа мы уже обсуждали, когда рассматривали механизм увеличения размера клетки. Однако в данном случае приобретение способности питаться цитратом не было бы такой редкостью, и линия Ara-3 не оказалась бы уникальной. Редкость цитратного метаболизма обязывает нас искать что-то более похожее на столь любимую креационистами «несократимую сложность». Может существовать биохимический путь, состоящий из двух реакций, причем в ходе первой реакции образуется необходимый исходный материал для второй, а для получения конечного продукта необходимы обе реакции. Для создания такого механизма потребовались бы две мутации (назовем их А и Б), катализирующие две реакции. При этом только две мутации вместе дают бактерии преимущество, а по отдельности они бесполезны и потому не могут быть поддержаны отбором. Такое двойное событие, без сомнения, будет достаточно редким для того, чтобы произойти только в одном из двенадцати случаев.
Однако пока это гипотеза. Была ли у группы Ленски возможность экспериментально выяснить, что произошло? Ученые могли бы сделать ряд очень важных шагов в этом направлении, используя размороженные «ископаемые». Повторим основные положения нашей гипотезы. В некоторый момент в геноме Ara-3 произошла мутация А. Она не имела заметного эффекта, поскольку мутация Б, необходимая для цепочки биохимических реакций, отсутствовала. Мутация Б может с одинаковой вероятностью возникнуть в любой линии. Более того, вполне возможно, что она там возникала! Но мутация Б бесполезна — она не дает абсолютно никакого положительного эффекта, если линия предварительно не обзавелась мутацией А. Так получилось, что подготовлена таким образом была только линия Ara-3.
Ленски мог бы даже сформулировать гипотезу в форме проверяемого предсказания — и, пожалуй, имеет смысл так ее и сформулировать, потому что это и есть самое настоящее предсказание, хоть оно и относится к прошлому. Вот как я бы сформулировал ее на месте Ленски:
Я разморожу «ископаемые» образцы линии Ara-3 разного, сознательно выбранного возраста. Затем я дам «воскрешенным» бактериям возможность эволюционировать в тех же условиях, что и в основном эксперименте, но в полной изоляции от других. Теперь — собственно предсказание. Способность усваивать цитрат приобретут только линии размороженных бактерий, которые были заморожены до определенного, критически важного поколения основного эксперимента. Так мы сможем установить, когда в линии появилась мутация А.