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

И хотя сам процесс занимает всего несколько минут, впечатляет то, как все организовано и осуществлено. График дежурств в лаборатории установлен строго: день работы, день отдыха, невзирая на выходные, снежные бури, болезни и семейные торжества. Все члены лаборатории Ленски с особым уважением относятся к ветерану лаборатории менеджеру Ниирдже Хаджела, идейному вдохновителю, благодаря которой проект так долго и столь успешно работает.

За двадцать восемь лет график переносов нарушался всего три раза. Первый раз это произошло в 1991 году, когда лаборатория Ленски переезжала из Калифорнийского университета Ирвин в штат Мичиган. Процесс переезда лаборатории трудоемкий. В этот раз потребовалось прервать проект. Но такой долгий перерыв не стал проблемой. E.coli, как и большинство микробов, обладает суперсилой: ее можно замораживать, помещать в анабиоз, как астронавтов в научно-фантастических фильмах, а потом размораживать и оживлять без всякого для нее вреда. Так что ДЭЭ просто поставили на паузу в глубокой заморозке и переместили в другое место страны. Девять месяцев спустя популяции разморозили, и эксперимент продолжился с той же самой точки, на которой был остановлен.

Вторая и третья паузы в проекте были краткими: зимой 2007 и 2010 гг. все члены лаборатории разъехались на каникулы, так что проект был временно приостановлен. Но больше такого не повторялось, и исследования продолжались ежедневно в течение семи лет.

УЧЕНЫЕ, РАБОТАЮЩИЕ В ОБЛАСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ, используют самые разные подходы как в плане осуществления исследования, так и в том, что касается изучаемых проблем. Тем не менее многие авторы этих исследований в целом повторяли подходы Ленски-Рейни и создавали реплицированные популяции в идентичных условиях, пытаясь ответить на вопрос, действительно ли эволюция происходит параллельно во всех популяциях.

Учитывая то, что в процессе своих исследований и Ленски, и Рейни обнаружили, что реплицированные популяции эволюционировали очень похожим образом, можно ли ожидать, что другие эксперименты не дадут такого же результата?

Сформулируем вопрос иначе: если изначально идентичные популяции адаптируются к идентичным условиям, то почему бы им не адаптироваться похожим образом?

Здесь следует учитывать два фактора. Во-первых, чтобы эволюционировать, популяции должны варьироваться генетически. Нет варьирования – нет способности к изменению: в конце концов, естественный отбор работает, поощряя тот или иной вариант. И если не будет варьирования, тогда отбору не с чем будет работать. В силу того, что у популяций изначально отсутствует генетическая вариативность, вся последующая эволюция основана на мутациях, возникших после начала эксперимента. А это, в свою очередь, означает, что на эволюционный процесс может повлиять то, какие мутации возникли в каждом репликате. Эволюционные различия среди популяций могут появляться просто потому, что в разных популяциях происходят разные мутации.

Более того, возникновение мутации в той или иной популяции может зависеть от их порядка появления: изменение может быть нецелесообразным, если в популяции случилась уже другая мутация. И наоборот, может потребоваться, чтобы сначала возникло первоначальное изменение. А потому даже если одинаковые мутации возникают в двух популяциях, разные эволюционные итоги могут происходить из-за различий в очередности мутаций.

Второй фактор, способный повлиять на то, станут ли популяции эволюционировать параллельно, связан с тем, существует ли несколько способов решить проблему, поставленную окружающей средой. В третьей главе мы уже обсуждали, что виды, сталкивающиеся со схожими условиями обитания, могут адаптироваться неконвергентно, если у них разовьются разные фенотипы, выдающие одинаковую функциональную реакцию (так хорошие плавательные способности могут быть результатом наличия мощных хвостов, передних или задних конечностей) или если у них есть множество разных функциональных способов адаптироваться к избирательным условиям (так в ответ на появление нового хищника эволюционируют длинные лапы, чтобы лучше убегать, или маскировка).

Но мы также наблюдали, что из-за своей генетической похожести близкородственные популяции с большей вероятностью эволюционируют одинаково, чем дальние родственники.

Таким образом, возникает вопрос: чего ожидать от экспериментальных исследований эволюции микробов, учитывая все эти факторы? В экспериментах Ленски и Рейни реплицированные популяции по большей части эволюционировали одинаково. Является ли это общим правилом?

Оценить данное предположение трудно, потому что исследования изучают эволюцию разными способами. Самыми наглядными являются те исследования, в ходе которых изучаются признаки популяций с целью выяснить, эволюционировали ли они повторно похожим образом, как, например, крупные клетки в экспериментах с E.coli или три разных типа клетки Pseudomonas.

Другой организм, часто участвующий в экспериментах, это знакомый всем дрожжевой грибок Saccharomyces cerevisiae, который люди веками использовали для выпечки, в виноделии и пивоварении. А если говорить о более близких временах, то этот грибок сыграл еще одну роль – модельного организма для исследований в области молекулярной биологии. В отличие от других видов микробов, которые мы обсуждали, дрожжевой грибок – эукариот, как и мы, то есть каждая клетка содержит сформированное ядро, в котором заключена ДНК. В этом аспекте их биология схожа с биологией людей и других крупных организмов.

Но несмотря на то что у них есть ядро, каждая грибковая особь состоит всего из одной клетки. По крайней мере, основная масса. Группа ученых под руководством уже знакомого нам Майкла Травизано (теперь он возглавляет свою собственную лабораторию в университете Миннесоты) решила изучить процесс эволюционного перехода от одноклеточного состояния к многоклеточному – важный рубеж в эволюционной истории жизни. Эволюционных биологов особенно интересует вопрос о том, как произошло данное изменение, потому что это означает, что отдельные организмы теряют свою автономию и начинают совместное развитие для общего блага. Почему вдруг изначально независимые друг от друга клетки сходятся вместе, образуя многоклеточный организм, в котором лишь часть клеток получает возможность размножаться? Возьмем для примера человеческое тело. Из клеток состоит наш мозг, наши глаза, наши ноги, все наше тело.

Но лишь малое количество клеток – яйцеклеток или сперматозоидов – участвуют в процессе репродукции и передают свою ДНК следующему поколению. А зачем тогда все остальные клетки? Это давнишняя проблема, и Травизано хотел разобраться в ней, изучив процесс эволюции в лаборатории.

Но как заставить одноклеточные организмы работать сообща? Ученые предположили, что, произведя отбор клеток более крупного размера, они активизируют эволюцию клеток, группирующихся вместе и образующих более крупную массу. Более ранние подобные попытки закончились ничем. Но команда Травизано справилась со своим успешным планом.

Посчитав, что более тяжелые массы будут быстрее погружаться на дно наполненной жидкостью пробирки, они установили центрифугу, в которой вращали клетки в течение десяти секунд. Тех, которые падали на дно быстрее других, извлекали и помещали в пробирку для последующего размножения в течение двадцати четырех часов. После чего их снова подвергали циклу вращения – процесс, который повторялся ежедневно на протяжении двух месяцев. Такой отбор по принципу быстрого погружения работал в точности так, как и ожидалось, приводя к увеличению размера во всех десяти популяциях.