Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Циммер Карл

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.

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.