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

Моррис и другие исследователи – естественного отбора, чтобы преодолеть различия в генетическом составе и историях жизни? Или же естественный отбор ограничен рамками описанного исторического периода и на него частично влияет то, что происходило ранее? И значит, вероятней всего, каждый раз он будет выдавать разный результат, как утверждал Гулд?

Лабораторные эволюционные эксперименты помогли ученым проделать блестящую работу, проясняя данные вопросы и демонстрируя нам целый ряд различных эволюционных возможностей. Но их главное преимущество одновременно является их большим изъяном: они ограничены искусственными рамками лаборатории.

Лабораторные эксперименты задуманы таким образом, что они прекрасно контролируются. Внешние воздействия максимально исключены, позволяя исследователям концентрироваться на изучаемых факторах. Все это прекрасно и замечательно и важно для хорошо идущего эксперимента.

Но как мы уже убедились, природа шумна и неконтролируема. И сама идея об абсолютно идентичном окружении просто смешна: ветер подул, насекомых отнесло в сторону, пролетающая птица выкакала семя, которое проросло. Хаотично, конечно, и вопиюще для лабораторных ученых, привыкших контролировать все. Но это природа.

И это всего лишь часть тех йот и частиц, о которых говорил Гулд: одно прокручивание пленки будет отличаться от другого из-за какого-то события или условия – семя, буря, астероид. Если бы мы могли воспользоваться силой экспериментов в области микробиологии и гармонично соединить ее со случайностью природного мира, тогда бы точно проверили роль непредвиденных факторов времени и места. Оказывается, мы способны сделать именно это и в то же время узнать, как эволюция микробов влияет на человеческое благополучие.

Pseudomonas aeruginosa – это пронырливая бактерия, широко распространенная в окружающей среде и обладающая высокой степенью адаптивности: она способна выживать в нефтяных пятнах и внутри космического корабля. Она заражает растения, нематод, плодовых мушек, рыбу и большинство млекопитающих. У людей она ответственна за заражение ожогов, ран, мочевыводящих путей и глаз.

Особенно данная бактерия любит влажность, и это делает человеческие легкие привлекательным для нее местом. Для большинства людей это не проблема: мы просто выкашливаем их и выплевываем. Но совсем иначе обстоит дело у тех, кто страдает от муковисцидоза. У людей с этим заболеванием очень густая слизь, что затрудняет очищение легких. P.aeruginosa и другие бактерии используют сгустки слизи, образуя так называемую «биопленку», которая проникает в самые укромные уголки и складочки, и ее потом трудно вывести. Результатом этого становятся инфекции, пневмония, поражение легких и часто летальный исход – P.aeruginosa является причиной смерти восьмидесяти процентов больных муковисцидозом.

Примерно в 2000 году врачи пришли к выводу, что в этом процессе участвует не только P.aeruginosa, колонизирующая организмы больных и окапывающаяся в легочных путях.

На самом деле летальный исход частично обусловлен эволюцией бактерии, начавшейся уже после ее колонизации организма, когда она адаптируется к своей новой воздухоносной среде таким образом, что ее сложно уничтожить. И это увеличивает ее губительное воздействие на организм.

Данное открытие изменило способ лечения больных муко-висцидозом. В прошлые времена людей с таким заболеванием собирали вместе, часто отправляя в специально выделенные для этой цели летние лагеря и больничные палаты. Теперь мы понимаем, что это самый худший из возможных вариантов, так как подобные скопления людей способствовали передаче заметно эволюционировавших, смертельно опасных штаммов Р. aeruginosa от одного человека к другому. В наши дни контакт между людьми с муковисцидозом максимально ограничен, особенно в больницах.

А потому сегодня большинство людей с муковисцидозом заражаются P.aeruginosa не от других больных, а из окружающей среды. С точки зрения микроба, каждый человек с этим заболеванием – это возможность, а каждая колонизация P.Aeruginosa – это эволюционно независимое событие. Что, конечно, приводит к теперь уже знакомому нам вопросу: эволюционируют ли штаммы P.aeruginosa похожим образом, когда адаптируются к одинаковым, но не идентичным средам, в данном случае к человеческим легким?

Теоретически ответ на этот вопрос можно получить в лаборатории, подобно многим экспериментальным эволюционным исследованиям в области микробиологии, которые мы обсуждали в последних трех главах. На самом деле такой эксперимент был проведен[111]. Несколько предприимчивых канадских ученых создали искусственные человеческие легкие, изготовив вязкую липкую субстанцию, похожую на слизь в легких у больного муковисцидозом. Затем они поместили P.aeruginosa в чашки Петри, наполненные этой вязкой массой, и стали наблюдать за тем, как бактерии станут адаптироваться.

Как и в большинстве эволюционных экспериментов с микробами, копии популяций P.aeruginosa продемонстрировали схожесть в адаптации к новому окружению. Но все популяции были получены из микробов одинаковой культурной среды в чашках Петри – все они изначально были генетически похожи. А штаммы P.aeruginosa у пациентов с муковисцидозом, вероятно, существенно отличаются друг от друга.

В большинстве случаев возникновения инфекции муковисцидоза мы не знаем природного источника P.aeruginosa.

Очень возможно, что путь колонизации случаен: к примеру, один человек заражается через воду из водопроводного крана, а другой – во время охоты на болотах. Эти штаммы Р. aeruginosa теоретически могут быть адаптированы к самым разным средам и, вероятней всего, различаются генетически. И как мы знаем по предыдущим исследованиям, когда эксперимент начинается с популяций с неоднородной эволюционной и экологической историей, популяции могут адаптироваться своими особенными способами. Так что не стоит ждать того, что разнородные штаммы будут приспосабливаться к разным людям одинаково.

Но одно очевидно: бактерия, заселяющая дыхательные пути больного муковисцидозом, встретит там условия, отличные от условий внешнего мира. Там ей будут противостоять активная иммунная система, борющаяся с захватчиками, и антибиотики, пытающиеся обезвредить ее. Но P.aeruginosa также должна отразить нападки других соперничающих с нею видов бактерий и справиться с липким слоем слизи. Давление естественного отбора в данном случае будет очень сильным.

Кроме того, в дыхательной системе человека много разных сред, от придаточной пазухи носа до бронхиол и альвеол. Как следствие, доступно множество разных ниш, отличающихся друг от друга воздушным потоком, влажностью, содержанием кислорода, поверхностной структурой, обилием слизи и концентрацией антибиотиков. Такое варьирование, а также индивидуальные различия людей могут привести к тому, что разные штаммы P.aeruginosa адаптируются по-разному не только у разных людей, но и внутри отдельного организма.

Как – это, конечно, не теоретический вопрос. Большинство тестирований эволюционной повторяемости в лабораторных условиях проводится из чистого любопытства. Станут ли грибок, взятый с дуба, и вагинальный грибок адаптироваться похожим образом, живя в чашке Петри, наполненной глюкозой, – это может вызвать интерес эволюционных биологов. А вот ответ на вопрос, будут ли бактерии адаптироваться одинаково в легких у людей с муковисцидозом, актуален и имеет важные последствия для нашего мира. Чем более повторяема эволюция бактерий, тем, возможно, легче будет разработать новые препараты и методы терапевтического лечения.