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

Описание Рейни лабораторной адаптивной радиации стало беспрецедентным событием. Но самое поразительное заключалось в том, что когда Рейни снова и снова повторял эксперимент, помещая свекольную бактерию в бульон и предоставляя ей возможность делать свое дело, каждый раз появлялись те же самые три живущих в разных средах типа. Постоянно.

Когда Рейни в первый раз поместил бактерии в стакан, они были круглыми и глянцевыми и встречались во всем бульоне. Он называл их «гладкими». Однако довольно быстро гладкий тип оказался во внутренней зоне, так как эволюционировали два новых типа. Первый был в виде закругленных клеток с бороздчатыми морщинистыми краями, которыми они сцеплялись друг с другом, образуя ковры на поверхности бульона. Рейни назвал их «сморщенными заполнителями». Другой тип был такой же круглый, как и гладкие, но покрыт плотным слоем волосков, отсюда и его название «ворсистые заполнители». Как и сморщенные, ворсистые тоже сливаются, образуя на поверхности ковер, но они не такие способные, а потому быстро погружаются на дно стаканов, периодически на короткое время вновь колонизируя поверхность, пока вирусы атакуют сморщенных.

Почему происходит это адаптивное расхождение, понятно: кислород – ограниченный ресурс. Когда предковые популяции гладких плавают в бульоне, они расходуют кислород, что приводит к эволюции сморщенных, а затем ворсистых заполнителей, которые способны в полной мере воспользоваться большим объемом кислорода, находящегося на поверхности бульона. Питающиеся насекомыми ящерицы адаптируются к разным средам, чтобы свести к минимуму соперничество за еду; маленькие клетки, пожирающие кислород, делают то же самое.

В своем долгосрочном эволюционном эксперименте Ленски продемонстрировал конвергентную эволюцию в рамках одного-единственного вида. Но Рейни продвинулся на шаг дальше, показав, что та же самая адаптивная радиация происходит повторно. Помести Pseudomonas fluorescens в колбу со специфическим набором питательных веществ, оставь их на несколько дней, и – вуаля! – ты получишь смесь гладких, сморщенных и ворсистых. Надо отметить, что при этом не только возникают те же самые три типа бактерии, они делают это в предсказуемой последовательности: сначала доминируют сморщенные и лишь потом за ними следуют ворсистые. Вряд ли найдешь что-то более реплицированное, чем это.

Проведя полгода в качестве постдока в Оксфорде, Рейни, подрабатывая на стороне, разобрался в сути данного процесса. Радостный и гордый, что ему удалось сделать это самостоятельно, он впервые презентовал свою работу на полугодовом собрании институтской лаборатории. Эти собрания проходили в кабинете директора института, выдающегося вирусолога, который подобно многим молекулярным биологам своего поколения презирал любое биологическое исследование, которое не концентрировалось исключительно на понимании механизма работы молекул.

Где-то на середине презентации Рейни директор прервал его, сказав, что работа не имеет никакой ценности, потому что это всего лишь описание происходящего без понимания молекулярных изменений, которые происходят в процессе адаптации разных типов бактерий. Рейни было запрещено проводить дальнейшие исследования подобного рода в стенах института.

Нет нужды говорить, что он был раздавлен. Но все же Рейни был, по его собственному определению, «упрямым сукиным сыном», и эта публичная порка лишь укрепила его решимость довести начатое до конца.

Работа продолжилась, хоть и тайком.

Главным моментом спора на тему «Вероятность против детерминизма» является значимость случайности, то, насколько случайные события способны повлиять на будущее. Конечно же, такие события могут быть одинаково важны как для человеческой истории, так и для эволюции. А в истории Пола Рейни именно случай сыграл свою роль. Спустя недолгое время после собрания лаборатории Рейни узнал о приехавшем в Оксфорд на год визитере – временно работающем там исследователе Риче Ленски.

Рейни назначил встречу чтобы представиться ему. И за этой встречей последовало много других. В отличие от узкомыслящего начальника Рейни Ленски понял значимость данной работы. Он не только подбодрил его добрым словом и советами, но также написал убедительное письмо в поддержку Рейни, чтобы тот получил престижную должность и продолжил свою работу. В 1994 году Рейни стал профессором и все свободное время смог посвящать изучению Pseudomonas fluorescens.

Год спустя Ленски председательствовал на знаменитой Гордоновской конференции, возглавив заседания по теме «Биология микробных популяций», и пригласил Рейни выступить там. Это должно было стать первой публичной презентацией исследования, и Рейни обнародовал все, что ему удалось обнаружить. Лекция произвела фурор, но его исследовательская программа была уникальной в своем роде, а потому чуждой собравшимся там ученым. Не способствовало успеху и то, что Рейни озадачил всех теми кличками, которые он дал трем специалистам среды и которые больше годились для героев детских книжек, чем для важной исследовательской программы. Вероятно, было бы лучше придумать какие-то более скучные специальные термины. В любом случае, новизна исследования, забавные названия типов бактерий и особый стиль презентации Рейни заставили собравшихся от души повеселиться. Но и по сей день Рейни не знает, сколько людей смеялось вместе с ним, а сколько – над ним.

Тем не менее в целом реакция была положительной, и Рейни воспрял духом. На следующий год руководство Оксфордского университета предложило ему должность лектора (то же, что ассистент профессора в Соединенных Штатах). Не испытывая теперь уже недостатка в средствах, Рейни смог сам нанять аспиранта, молодого исследователя, которого он встретил на Гордоновской конференции, – Майкла Травизано, ветерана лаборатории Ленски. Травизано и Рейни завершили работу[84], опубликовав два года спустя ставшую теперь уже классической научную статью в журнале Nature.

ДОЛГОСРОЧНЫЙ ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ЛЕНСКИ и реплицированная микробная адаптивная радиация Рейни в итоге легли в основу новой подобласти эволюционной биологии. Поначалу работа была ограничена несколькими лабораториями. Но этот этап длился недолго, так как поколения студентов быстро сменяют друг друга – лабораторное «потомство» быстро вырастает, оперяется и создает свои собственные лаборатории. К концу 1990-х годов часть студентов Ленски стали уже преподавателями, продолжив применять долгосрочный экспериментальный эволюционный подход в других учебных заведениях. А кто-то занялся независимыми исследованиями, используя данный метод и расширив не только исследовательскую базу, но также и круг изучаемых организмов. Спустя четверть века после того, как Ленски впрыснул E.coli в несколько колб, десятки, а может быть, и сотни других лабораторий проводят экспериментальные эволюционные исследования. И собранных данных вполне достаточно, чтобы целые конференции были посвящены исключительно этой теме.

Большинство таких исследований были относительно краткосрочными: например, эксперименты с Pseudomonas заняли всего десять дней. Но в настоящее время все большее количество исследователей копируют метод Ленски, продолжая эксперименты на длительной основе.

ДЭЭ это, конечно же, родоначальник данного типа исследований и основа для понимания процесса осуществления долгосрочного экспериментального эволюционного исследования. Каждый день на протяжении уже двадцати восьми лет кто-то из членов лаборатории Ленски осуществляет переносы, перемещая каждую популяцию из израсходованной среды в свежую, обогащенную глюкозой.