Эволюция в пробирке

Эволюция началась четверть века назад. В 1988-м мичиганский биолог Ричард Ленски (Richard Lenski) начал беспрецедентный «Долговременный проект по экспериментальной эволюции» (Long-term Experimental Evolution Project, или просто LTEE). Длительный по времени и в пространстве эксперимент ограничивается дюжиной колб, в которых растут кишечные палочки Escherichia coli, потомки одной-единственной бактерии-«праматери».

С того времени и до сих пор каждый день бактерии пересаживаются в свежую питательную среду для продолжения активного роста. Здесь содержится лишь необходимый минимум нужных веществ, прежде всего ? глюкоза, являющаяся основным питательным субстратом для кишечных палочек. Каждые 75 дней (примерно 500 поколений) часть бактериальной культуры отбирается, оценивается ее среднее генетическое расхождение с исходной популяцией, и образец сохраняется в заморозке для будущих исследований.

Ученые почти не вмешиваются в происходящее, позволяя работать трем ключевым инструментам эволюции: случаю, времени и смерти. За 25 лет в каждой из 12-ти популяций сменилось уже более 58 тыс. поколений ? десятки тысяч поколений отделяют и нас от древнейших представителей рода Homo.

Памятная грамота, выпущенная группой Ричарда Ленски к появлению в эксперименте 50-тысячного поколения бактерий.
©Richard E. Lenski. Michigan State University

Все популяции бактерий стали разными: в каждой из них первоначальный штамм Bc251 многократно менялся, накапливал мутации, адаптировался и породил тысячи новых штаммов. Сам Ленски по ходу дела опубликовал десятки статей, последняя из которых вышла в середине этого месяца в журнале Science.

Долгое время развитие всех 12-ти популяций протекало параллельными путями. Все они благодаря адаптации к условиям клетки понемногу все более увеличивались в размерах. Но примерно на 31500-м поколении начались странности: бактерии в одной из колб стали размножаться в десятки раз успешнее всех остальных. Жидкая питательная среда стала отчетливо мутной: как установили ученые, этот штамм приобрел совершенно новую «сверхспособность» ? возможность усваивать цитрат натрия.

В питательной среде цитрата имелось предостаточно, в 20 раз больше глюкозы, но E. coli использовать его неспособны. В микробиологии эта их особенность иногда даже используется для отделения кишечной палочки от других бактерий. А вот мутировавший штамм Cit+ набросился на новый источник пищи с жадностью, быстро увеличив свою численность. «Это самое значительное эволюционное изменение, которое мы наблюдали до настоящего момента в своем эксперименте, ? сказал тогда Ленски. ?Оно, фактически, переходит границы E. coli как вида».

Ученый подсчитал, что к этому времени в его пробирках сменилось так много бактерий, что все возможные одиночные мутации уже должны были появиться в них по нескольку раз. Однако способность усваивать цитрат натрия проявилась лишь однажды ? значит, родилась она не из простой одиночной мутации, а в результате какого-то более сложного и маловероятного изменения ДНК. Это могли быть либо несколько одиночных мутаций, либо более редкая и масштабная перестройка бактериальной хромосомы.

Тогда ученый достал из холодильника замороженные клетки предыдущих поколений ? бактерии вообще легко переносят заморозку, и даже спустя многие годы замороженную культуру можно высадить на питательную среду, и она тут же пустится в рост. Эти образцы, отбиравшиеся, напомним, примерно каждые 500 поколений, позволили как бы «сохранить игру» на каждом шаге экспериментальной эволюции, и при необходимости проиграть ее снова, следя за тем, как она развивалась на каждом этапе. Вопрос был простой: появятся ли снова бактерии Cit+?

Сколько Ленски ни пытался, способность усваивать цитрат обретали клетки одной и той же популяции, причем начиная примерно с 20-тысячного поколения. Ученый понял, что именно на этом этапе произошло первое ключевое изменение, которое примерно 15 тысяч поколений спустя привело к Cit+. Эта мутация могла долгое время оставаться нейтральной, не влияя серьезно ни на один из процессов жизнедеятельности клетки, пока не появились новые мутации, которые сделали ее полезной.

В 2012-м году ученые опубликовали результаты анализа геномов бактерий Cit+ и 28-ми предыдущих поколений этой популяции. На этой основе они реконструировали всю эволюцию этого штамма, разбив ее на три «эпохи», сменяющие одна другую примерно каждые 20 тыс. поколений. Были выделены три конкретные мутации, которые шаг за шагом привели к появлению Cit+, сделав клеточную мембрану кишечной палочки проницаемой для молекул цитрата натрия.

25-летие эксперимента отметили 24 февраля 2013 года.
©Richard E. Lenski. Michigan State University

Авторы заключили, что развитие Cit+ можно рассматривать как модель для развития и других сложных новых способностей в ходе эволюции. Все начинается с первой стадии – «потенцирующей», на которой накапливаются пока не играющие никакой особенной роли мутации. Затем следует «стадия актуализации», на которой появляется новая способность. Наконец, на третьем этапе эта способность совершенствуется новыми изменениями.

Впрочем, главный вывод, который можно сделать из истории штамма Cit+, состоит в том, что эволюционные процессы не всегда способны принести оптимальный результат. В 11-ти колбах E. coli так и не обрели способность питаться новым обильным ресурсом, и только в одной из них несколько совпавших случайностей открыли перед бактериями эту перспективную новую возможность.

Кроме того, ученые заметили, что в течение первых 10 тыс. поколений бактерии понемногу все более адаптировались к условиям существования и достигли некоторого максимального уровня приспособленности, после чего этот процесс, казалось, совсем остановился. Но это оказалось лишь видимостью.

Прямые эксперименты показали, что если поставить представителей разных поколений в условия прямой конкуренции, более поздние поколения всегда будут одерживать верх над более ранними. Значит, совершенствование приспособленности не прекращается никогда, хотя и сильно замедляется со временем, по мере того, как организм становится все лучше адаптирован к имеющимся условиям. «Даже если мы экстраполируем к 2,5-миллиардному поколению, ? говорит Ленски, ?они все еще будут продолжать эволюционировать и приспосабливаться».

Эволюция не останавливается и в естественных условиях, причем здесь, в изменчивой и непредсказуемой среде она протекает гораздо быстрее и динамичнее. Наглядным примером тому служит появление новых штаммов бактерий и популяций насекомых, устойчивых к антибиотикам и инсектицидам. Поразительную эволюционную гибкость демонстрируют многие вирусы, например, грипп или ВИЧ, которые до сих пор умудряются держаться на шаг впереди медиков, занятых разработкой вакцин.

Как видно, мы сами во многом подстегиваем адаптацию этих неприятных существ ? и это тот случай, когда эволюция работает против нас, и работает весьма активно. Чтобы понять, как обуздать эту живую силу, нам придется лучше понять все многообразные механизмы ее действия, а значит, несложный, но поучительный эксперимент Ричарда Ленски может сослужить человечеству огромную службу.