В других колбах резистентные мутанты могли возникнуть намного позже. У них было бы существенно меньше времени на размножение до пересадки в чашки с вирусом, и в результате они породили бы куда меньше резистентных колоний. В третьих колбах не возникло бы вообще никаких подходящих мутантов. При пересадке такие бактерии вымерли бы целиком, оставив чашки пустыми. Таким образом, вместо нескольких схожих колоний в большинстве чашек — как следовало из предсказания по Ламарку — мутации по Дарвину породили бы несколько чашек с множеством колоний, в то время как в остальных резистентных колоний было бы мало или не было вообще.
Лурия раскрутил маховик своего «игрального автомата» — и начал считать точки колоний в чашках Петри. После окончания подсчета вердикт был ясен. В нескольких чашках колоний было множество, тогда как многие другие чашки оказались попросту пустыми. Игровой автомат жизни выдал всего несколько крупных выигрышей. Дарвин победил.
В 1943 г. Лурия и Дельбрюк опубликовали эти результаты, что обеспечило им обоим долю в Нобелевской премии 1969 г. Следующие поколения биологов воспринимали вышеописанное как один из величайших биологических экспериментов XX столетия. Он убедительно доказал, что бактерии, подобно растениям и животным, передают потомству свои признаки при помощи генов. И показал также, что эти гены способны спонтанно изменяться и распространяться в популяции с помощью естественного отбора. Этот эксперимент стал мощным инструментом науки. Теперь, просто посчитав колонии бактерий в чашке Петри, ученые могут определить, с какой частотой возникают мутации.
Однако в тот момент, когда Лурия и Дельбрюк впервые опубликовали описание и результаты своего эксперимента, на скептиков они особого впечатления не произвели и неоламаркистов ни в чем не убедили. Приверженцы неоламаркизма указывали, что авторам эксперимента приходилось в своих выводах опираться на множество косвенных свидетельств. Могло ведь оказаться, что колбы, задействованные в эксперименте, изначально были не совсем одинаковыми. В некоторых, например, могли остаться следы мыла или какого‑то другого постороннего вещества, позже повлиявшего на бактерии. Споры о том, как именно адаптируются бактерии, продолжались среди микробиологов еще лет десять.
Скептиков никак не удавалось убедить, до тех пор пока Джошуа Ледерберг (тот самый, что открыл половое размножение E. coli) не проверил гипотезу игрального автомата в новом эксперименте. Ледерберг и его жена Эстер обернули конец деревянного цилиндра, примерно соответствующего по диаметру чашке Петри, куском бархата, а затем окунули его сначала в чашку с E. coli, а затем в чашку с вирусами. Процедура была проделана трижды — так что три чашки с вирусами получили отпечаток с эшерихиями из одной и той же первоначальной чашки.
Через несколько часов почти все бактерии, занесенные Ледербергами в чашки с вирусами, погибли от инфекции. Небольшое количество мутантов, однако, уцелело и дало начало новым видимым колониям. Ледерберги сфотографировали каждую чашку и сравнили получившиеся изображения. Созвездие мутантных колоний во всех трех чашках выглядело одинаково!
Ледерберги сделали логичный вывод о том, что мутации бактерий возникли еще в первоначальной чашке. Перенося бактерии из чашки в чашку при помощи бархатного штампа, они брали мутантов из одного и того же места в чашке и помещали в то же место чашки с вирусами. Если бы E. coli подчинялась Ламарку, то резистентность она приобрела бы только при столкновении с вирусами, не раньше. И странно было бы ожидать в таком случае одинакового расположения колоний резистентных бактерий во всех трех чашках.
Ледерберги понимали, что они могут выявить резистентные бактерии лишь после того, как те столкнулись с вирусами, поэтому продолжили эксперимент, чтобы доказать, что мутантные особи обладали резистентностью до этого события. Они взяли при помощи бархатного штампа бактерии из чашки с небольшим числом видимых колоний и перенесли в чашку, полную вирусов, а затем подождали, пока из резистентных бактерий в чашке с вирусами вырастут новые колонии. Каждая новая колония соответствовала одной из колоний в первоначальной чашке. После этого Ледерберги взяли из первоначальных колоний некоторое количество бактерий и поместили их в колбы, где те могли размножаться без ограничений. Затем ученые повторили свой эксперимент на новых бактериях — вырастили в новой чашке несколько колоний и перенесли их при помощи бархатного штампа. Теперь все колонии были резистентны. Ледерберги засеяли бактериями из чашки еще одну колбу и вновь повторили эксперимент.
Сколько бы раз ни повторялась описанная процедура, бактерии оставались резистентными к вирусу, хотя ни одна из них в ходе эксперимента теперь с вирусами не сталкивалась. В 1952 г. Ледерберги опубликовали результаты своего эксперимента, утверждая, что некоторое количество резистентных бактерий мутировали до его начала, а затем передали потомкам ген резистентности. Упрямо держаться за теорию Ламарка теперь было бы нелепо.
Вышеописанные эксперименты с E. coli помогли объединить теорию эволюции и генетику и выработать новую синтетическую теорию. Чем больше узнавали ученые о генах и белках, тем яснее становились механизмы естественного отбора. Случайная мутация изменяла последовательность нуклеотидов гена и, следовательно, структуру соответствующего белка. В некоторых случаях мутации оказывались летальными, так как блокировали производство необходимого белка. Другие мутации были для организма безразличными. Зато некоторые — очень редкие — мутации реально повышали репродуктивный успех особи. При этом преимущества или, наоборот, недостатки мутации зависели от окружающей среды. Так, мутация, придающая E. coli резистентность к вирусу, гарантирует ей репродуктивный успех лишь в том случае, когда колонии действительно угрожают вирусы. Если нет, такая мутация останется безразличной. Она может даже стать для организма обузой.
За следующие 50 лет биологи — эволюционисты накопили целые горы данных, доказывающих, что эволюция действительно происходит, причем именно таким образом. В большинстве случаев, однако, им приходится изучать эволюцию косвенно, сравнивая гены различных организмов, чтобы разобраться в том, как они произошли от общего предка с помощью естественного отбора. Но есть несколько видов, на которых ученые могут наблюдать эволюцию «в прямом эфире», поколение за поколением, мутация за мутацией. E. coli принадлежит к самым удобным и благодатным из них.
Эволюция в действии
Сальвадор Лурия в своем эксперименте, вдохновленном игровым автоматом, сумел пронаблюдать один виток эволюции. Популяция E. coli столкнулась с проблемой — атакой вируса, и естественный отбор дал преимущество резистентным мутантам. Но естественный отбор формирует вид постоянно, в каждом поколении. Возникают новые мутации, гены, передаваемые от родителей потомству, складываются в новые комбинации, а переменчивая окружающая среда то и дело создает новые проблемы. На таком масштабном фоне наблюдать эволюцию намного сложнее. У жизни на изменения были миллионы лет, тогда как ученые живут на этой земле всего лишь по нескольку десятилетий. Дарвин предпочел изучать эволюцию, условно говоря, на расстоянии, и сто лет спустя большинство биологов — эволюционистов продолжало поступать так же. Они исследовали гены разных видов, чтобы определить, как эти виды разошлись, или занимались поисками новых вариантов генов, возникших в ответ на новые вызовы. Они искали признаки действия естественного отбора в прошлом. Но в 1980–е гг. нашлись ученые, которые решили пронаблюдать за ходом эволюции в реальном времени. Они начали отслеживать, как E. coli и другие бактерии подвергаются естественному отбору прямо в лаборатории, у них на глазах.
Одним из таких ученых был и Ричард Ленски. В начале своей научной карьеры он в поисках жуков исходил вдоль и поперек Голубой хребет в Аппалачских горах. Он хотел выяснить, как жуки вписываются в пищевые цепи Голубого хребта. Ленски сосредоточил свою работу на жуках рода Carabus из семейства жужелиц. Он надеялся установить, чем контролируется численность популяции этих жуков — может быть, резкими похолоданиями или анормальной жарой, а может, конкуренцией за добычу (мелкие насекомые). Вопрос этот, надо сказать, представлял далеко не академический интерес. Вполне могло оказаться, что жужелицы охраняют здоровье лесов, сдерживая численность вредителей, наносящих ущерб деревьям. Понимание экологии жужелиц могло помочь предсказывать вспышки численности вредителей, а возможно, и предотвращать их.
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.
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.
Эксперименты, подобные описанным, показывают, что мутации возникают случайно, а их результаты зависят от того, способствуют ли они процветанию организма в конкретных условиях. Но означает ли это, что ход эволюции совершенно случаен? Покойный палеонтолог Стивен Джей Гулд мечтал поставить эксперимент, способный, как он говорил, повторно воспроизвести запись, сделанную природой. «Вы нажимаете клавишу обратной перемотки и, убедившись, что все реально произошедшее надежно стерто, возвращаетесь назад в любую точку во времени и в любое место в прошлом…» — писал он в книге «Чудесная жизнь» (Wonderful Life, 1989). — Затем пускаете запись с начала и смотрите, будет ли второй прогон сколько‑нибудь похож на оригинал».
Если не говорить о путешествиях во времени, то наилучшим способом получить ответ на этот вопрос, по мнению Гулда, является тщательное изучение палеонтологической летописи, регистрирующей момент появления и исчезновения видов. Но эксперименты на E. coli тоже могут оказаться небесполезными в этом плане — по крайней мере, там, где речь идет о годах, а не об эпохах. Эксперименты, такие как у Ленски, представляют собой особенно мощный инструмент, потому что обеспечивают повторяемость: в ходе подобных исследований можно пронаблюдать, как разворачиваются эволюционные процессы, не один раз, а многократно. Так, сам Ленски получил от одного предка 12 отдельных линий, в каждой из которых процесс естественного отбора протекал независимо. Возможно, Ленски с коллегами и не сумели перемотать назад и повторно проиграть запись эволюции E. coli. Но им удалось получить 12 независимых копий одной и той же записи и посмотреть, что происходит, когда все они проигрываются одновременно.