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

Размер популяции Ага-3 был слишком велик, и им не хватало того минимального количества глюкозы, который давали ежедневно. Очевидно, микробы в этой популяции развили способность питаться чем-то еще в этом бульоне, тем, что всегда там было, но что ни одна из других популяций никогда не могла использовать. Вероятным кандидатом была молекула цитрат, остаток лимонной кислоты, которая придает лимону его кислый вкус, заставляя нас морщиться.

Теоретически цитрат подходит в качестве источника энергии для E.coli. На самом деле в случае отсутствия кислорода E.coli способна поглощать цитрат из окружающей среды и питаться ею. Но при наличии кислорода E.coli не ест цитрат. Причина в том, что работа по доставке цитрата в клетку E.coli выпадает на долю белка-переносчика, который высовывается из стенки клетки, цепляет молекулы цитрата и втягивает их внутрь, где они перевариваются. Этот белок производит ген citT, который активизируется только в тех средах, где нет кислорода. Почему возник такой порядок, неизвестно.

Неспособность E.coli использовать цитрат при наличии кислорода настолько устойчива и абсолютна, что считается диагностическим лабораторным инструментом для определения, является ли данная бактерия E.coli или нет.

По словам автора научных публикаций Карла Циммера, E.coli это «самый тщательно изучаемый вид на Земле»[88]. Но несмотря на бесчисленное количество осуществленных за прошедшее столетие экспериментов с этим организмом, описан всего один случай возникшей у лабораторной E.coli способности потреблять цитрат при наличии кислорода, и было это еще в 1982 году.

Появление цитрата в экспериментальной среде стало счастливой случайностью. Предыдущие исследователи включали цитрат в эксперименты с E.coli. Так как это работало в прошлом, Ленски придерживался этого надежного и проверенного метода. Зная об исследовании 1982 года, он задавался вопросом, неужели популяция может адаптироваться к использованию цитрата. Но эта идея увяла, потому что ни одна генерация E.coli не смогла расколоть «орешек» цитрат.

Пока не наступил черед генерации 33,127. Как только было исключено заселение, следующей вероятной гипотезой стало потребление цитрата. Первые тесты оказались положительными: когда образцы Ага-3 поместили в колбу с цитратом, но без глюкозы, они смогли выжить и прекрасно росли.

На этом этапе работа по определению процессов, происходящих в Ага-3, была передана другому постдоку Кристине Борланд, специалисту по молекулярной генетике, получившей докторскую степень в Йельском университете. У нее была непростая задача провести данный эксперимент безукоризненно. Сначала она исключила возможность того, что популяцию заселил контаминант, которого не определишь обычными методами и который мог питаться цитратом. Далее ей следовало установить, что цитрат потребляла именно популяция Ага-3: возможно, популяцию каким-то образом заселил другой штамм E.coli, который разобрался в том, как использовать цитрат. Проведенный ею анализ ДНК показал, что в популяции присутствовали особые мутации, которые уже давно были свойственны Ага-3.

А это означало только одно: единственная популяция, прожившая в колбах в лаборатории Ленски в течение четырнадцати лет, совершила существенный эволюционный скачок.

Каким-то образом благодаря правильной комбинации мутаций и естественного отбора у популяции развилась адаптация, на которую, насколько это известно, данный вид не был способен на протяжении миллионов лет своего существования в естественных условиях[50]. Эволюционная значимость этой адаптивной трансформации так велика, что Ленски озвучил мнение, что, вероятно, данный штамм находится в процессе превращения в новый вид. И теперь, спустя тринадцать лет, данная гипотеза вскоре воплотится в научную работу. Но произошло это лишь в одной из двенадцати популяций. Даже сейчас, по прошествии тридцати тысяч генераций и десяти с лишним лет, данная способность не эволюционировала больше ни у одной из оставшихся популяций. Вот вам и предсказуемость, и параллельная эволюция!

СТИВЕН ДЖЕЙ ГУЛД представлял свою идею «прокручивания пленки» как мыслительный эксперимент, который, как он считал, невозможно осуществить. «Плохая новость в том[89], что вряд ли нам удастся осуществить этот эксперимент», – писал он. Но на самом деле это можно проделать с микробами. Наличие возможности заморозить и оживить микробов означает, что мы способны повернуть время вспять, прокрутить пленку истории. Замороженные образцы предковых популяций можно снова возродить и встроить в процесс эволюции, а потом пронаблюдать, будет ли итог таким же, как в первый раз. Это важнейшее преимущество работы с микробами, которое, по словам Ленски, он недооценивал, когда начинал свой эксперимент. Он полагал, что готовит реплицированный аналог метафоре Гулда – параллельную эволюцию двенадцати популяций, – но возможность возрождать популяции замороженных микробов означала, что он действительно способен прокрутить пленку, вернуться назад во времени и начать все заново.

Итак, зимой 2004 года шанс нажать на «повтор» выпал двадцатисемилетнему аспиранту Заку Блаунту, недавно прибывшему в лабораторию Ленски.

Блаунт, мягкий и учтивый уроженец южного штата Джорджия, испытывающий, как ни странно, любовь к суровым северным зимам, приехал в Мичиган не для того, чтобы работать с Ленски. Но в той лаборатории, куда он собирался, у него что-то не сложилось, и он начал искать другие варианты. Блаунту понравился основанный на гипотезах подход, применявшийся в лаборатории Ленски, а Ленски увидел в Блаунте молодого человека, «серьезного и умного[90], спокойного, склонного заниматься наукой из любопытства и тяге к знаниям».

Блаунт оказался в лаборатории в правильное время: Борланд только что установила, что у популяции Ага-3 развилась способность использовать цитрат. Это влекло за собой массу других вопросов. Изначально Блаунт работал над частью проекта, возглавляемого Борланд. Но после того как она в том же году переехала с мужем в Китай, Ленски перепоручил ему весь проект. И вряд ли кто-то из них догадывался, что он выльется в итоге в десятилетний труд и что за этим последует не только докторская степень Блаунта, но и многие годы исследований, и его международное признание.

Облаченный в свой «фирменный» окрасившийся лабораторный халат (изначально зеленый, а теперь голубой), Блаунт приступил к работе. К тому моменту уже триллионы E.coli прожили и умерли в ходе эксперимента (двенадцать популяций, тридцать тысяч генераций, десятки миллионов клеток с переносимым объемом в день, считайте). А потому казалось маловероятным, что способность переваривать цитрат («Cit+» на языке лаборатории Ленски[51]) была результатом одной-единственной мутации: если единственное генетическое изменение могло породить данную способность, учитывая миллиарды мутаций, которые, вероятно, происходили в ходе эксперимента, то наверняка Cit+ эволюционировала довольно быстро или во множестве популяций.