Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов - Джонатан Б. Лосос

Во-первых, когда мы говорим об эволюции, то представляем себе то, что происходит уже тысячи и миллионы лет. А лабораторные исследования процесса отбора длятся в целом всего несколько десятков поколений – этого достаточно, чтобы увидеть сильную эволюционную реакцию и многое узнать, но все равно слишком мало по меркам природы. И причина очевидна: научные карьеры занимают не столь большой промежуток времени, гораздо меньше того цикла, в ходе которого ученый должен получить результаты и написать научный труд, чтобы затем выиграть очередной грант. Более того, у организмов, используемых в таких исследованиях (плодовых мушек, мышей и прочих), продолжительность жизни генерации составляет от нескольких недель до нескольких месяцев, что ограничивает количество генераций, за которыми можно успеть понаблюдать, прежде чем исследование завершится. Ленски понял, что нужен организм с действительно быстрым жизненным циклом, который бы помог ему изучить сразу несколько поколений, достаточно оперативно накопив изменения, чтобы также узнать их долгосрочные эволюционные последствия.

Второй неестественный – или искусственный – аспект лабораторных и сельскохозяйственных исследований заключается в том, что условия селекции обычно напрямую диктует исследователь или специалист по разведению животных. Хотите получить мясную породу скота? Выберите самых крупных животных и позвольте им размножаться поколение за поколением. Это отличный способ изучить влияние отбора на эволюционные изменения. Но в природе все происходит совсем не так.

Наоборот, в условиях дикой природы естественный отбор редко бывает настолько сильным, что лишь немногие особи с крайними проявлениями фенотипа выживают и размножаются. К тому же действие естественного отбора на какой-то конкретный признак, как правило, гораздо более сдержанное. А многочисленные селективные факторы воздействуют на разные признаки одновременно, иногда довольно противоречиво.

Так, у быстро бегающей мыши, может быть, и будет преимущество, но очень маленькое. У самой быстрой мыши шансы выжить, вероятно, процентов на десять выше, чем у остальных копунов. Но это означает, что по какой-то случайности многие быстрые мыши могут и не выжить, а кто-то медлительный выживет, если ему повезет. Также и у хорошо замаскированных мышей может быть похожее преимущество, но шустрые мышки совсем не обязательно хорошо замаскированы. Так что разные селективные воздействия могут войти в конфликт друг с другом. И в результате процесс отбора зачастую бывает очень слаб и вероятностен, значительно отличаясь от сильного и определенного характера отбора, что осуществляется в условиях лабораторных исследований.

Еще одно отличие лабораторной селекции в том, что в природе естественный отбор может быть непоследовательным. В какой-то год преимущество будет у более мускулистых оленей, а на следующий год могут настать тяжелые времена, когда выживут более стройные животные. В действительности по мере того, как популяции эволюционируют, они могут сами менять избирательные условия: наличие того признака, которому отдавалось предпочтение, когда оно было редким, может перестать быть преимуществом, когда оно распространено. А еще эволюционирующие популяции могут менять свою среду обитания – вспомните о бобровых плотинах как о крайних проявлениях этого явления, – и эти изменения могут повлиять на процесс отбора, отдавая предпочтение новым признакам, которые прежде не выделялись. Опять же это сильно отличается от последовательного селективного давления, оказываемого на одно за другим поколения в лабораторных условиях.

Ленски понял, что есть способ избежать этих проблем – стратегия, которая уже была разработана, но еще не реализовала весь свой потенциал. Этот метод заключался в том, чтобы изучать эволюцию экспериментально, в лаборатории, с помощью микроскопических организмов. У микробов очень короткие генерации, они живут двадцать минут и даже меньше, что дает массу возможностей и времени для осуществления процесса эволюции. И вместо того чтобы направлять процесс отбора, как это делалось в большинстве предыдущих лабораторных исследований, ученые могли поместить организмы в новую для них среду, в ту, к которой они предположительно недостаточно хорошо адаптированы изначально. В этих условиях процесс селекции, несомненно, начнет подталкивать эволюцию, но в данном случае именно экспериментальная среда, а не исследователь, будет определять, какие организмы выживут и станут размножаться. В точности так, как это происходит в природе.

Некоторые микробиологи, начиная с 1940-х годов, делали это, но не для того, чтобы изучить, как работает эволюция, а, скорее, для того, чтобы понять внутренние механизмы микроорганизмов. Идея заключалась в том, чтобы подвергнуть микробов жестким испытаниям и посмотреть, какие биохимические или физиологические реакции они проявят, чтобы выжить. Есть еще один жесткий, но эффективный подход, когда исследователи используют приемы молекулярной биологии, лишая микробов части их функций и наблюдая за тем, как популяция выработает компенсирующий механизм. Благодаря такому подходу ученые многое узнали о том, как работает ДНК и функционируют клетки. Но в большинстве случаев тех, кто применял данный метод, не интересовал процесс эволюции. Скорее они использовали эволюцию для изучения механизма работы клеток. Такое положение дел начало меняться в начале 1980-х годов.

А ТЕПЕРЬ ПЕРЕНЕСЕМСЯ НА ШЕСТЬ ЛЕТ ВПЕРЕД, в 1988 год. Молодой Ленски только что закончил учебу в магистратуре, работая в университете Массачусетса в лаборатории Брюса Левина, гиганта в области микробиологии и одного из немногих в то время, кто использовал экспериментальные исследования микробов для изучения эволюции[45]. Заняв должность преподавателя в Калифорнийском университете в городе Ирвайн, Ленски приступил к осуществлению собственной исследовательской программы, реализуя свое видение нового подхода к долгосрочным эволюционным экспериментам на основе лабораторных исследований распространенной бактерии Escherichia coli (для удобства сократим ее до E.coli).

Каждая особь E.coli состоит всего из одной крошечной клетки, в длину около одного микрометра (0,00004). И при изобилии пищи эти клетки способны делиться каждые двадцать минут.

Микроскопический размер E.coli означает, что даже в маленькой колбе могут содержаться сотни миллионов особей. Чем больше особей в популяции, тем большее число мутаций произойдет. А чем больше мутаций в популяции, тем больше вероятность того, что случайно проявится какая-то особенно полезная – та, которую будет поощрять естественный отбор, и которая позволит популяции лучше адаптироваться к своей среде. Таким образом, можно было ожидать, что E.coli эволюционирует быстрее, чем другие лабораторные организмы с более продолжительным жизненным циклом и меньшими размерами популяции.

В силу того что ученые исследовали E.coli на протяжении многих десятилетий, они знали, в каких средах она может жить. Вооружившись этими знаниями, Ленски смог создать для них пригодную, но непростую среду, что оставляло место для эволюционных экспериментов.