С нами или без нас: Естественная история будущего

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые решили добавить в мегачашку антибиотики. В варианте эксперимента, который был реализован Баймом после завершения курса Кишони, в качестве первого антибиотика выбрали триметоприм. Позже Байм повторил эксперимент с другим антибиотиком: им стал ципрофлоксацин. Антибиотики добавляли в мегачашку неравномерно, полосами. Идею полос предложила Либерман: она хотела создать для бактерий несколько уровней препятствий, один сложнее другого. В крайних полосках антибиотиков не было, но по мере продвижения от краев к середине их концентрация повышалась. В центральной полосе (равноудаленной от обоих краев) концентрация антибиотика была достаточно высокой, чтобы убить что угодно: она превышала смертельную для кишечной палочки в 3000 раз в случае с триметопримом и в 20 000 раз в случае с ципрофлоксацином. Именно это разделение экспериментального пространства на полосы напомнило мне реку Миссисипи близ Гринвилла. Полосы с антибиотиками – это дамбы, а центральная полоса – город Гринвилл или, если помыслить шире, все человечество, защищенное антибиотиками от реки бактерий-паразитов.

Рис. 10.1. Мегачашка, разработанная Майклом Баймом, Тэми Либерман и Роем Кишони.

Изображение: Нил Маккой, на основании более ранней версии Майкла Байма и соавторов

Бактериям-мутантам, пробирающимся к центральной полосе, сначала пришлось развить устойчивость к минимальной концентрации антибиотиков. Затем, чтобы справиться со следующим уровнем концентрации, им пришлось приобрести новые, дополнительные мутации. А потом им потребовалось повторять это снова и снова, наслаивая одни мутации на другие, пока обновляющийся набор генов не позволил им наконец добраться до центра чашки.

Рис. 10.2. Миссисипи и излучины, которые она проложила до того, как ее русло подправили и ограничили дамбами. Эту реку до сих пор, как и прежде, отличают непостоянство и изменчивость.

Карта: Гарольд Фиск, Инженерный корпус армии США, 1944. Опубликована в рамках геологического исследования аллювиальной долины Нижней Миссисипи

Эксперимент с мегачашкой стал современной классикой эволюционной биологии; отчасти так получилось из-за того, что он как нельзя лучше демонстрировал динамику эволюции. В книге «Клюв вьюрка», замечательно описывающей эволюционные исследования на Галапагосских островах, Джонатан Уинер писал:

Чтобы изучать эволюцию жизни во многих поколениях, вам потребуется изолированная популяция, которая не убежит, с трудом будет смешиваться с другими, а смешавшись, не станет комбинировать изменения, возникшие в одном месте, с изменениями, появившимися в другом{155}.

Байм, Либерман и Кишони придумали и воспроизвели именно такие условия, обратив особое внимание на высказанные Уинером опасения по поводу смешивания и комбинирования.

В больницах и других местах, где часто применяются антибиотики, например на свиных и птичьих фермах, одним из путей, развивающих у бактерий устойчивость к ним, выступает обмен генами посредством своего рода «клеточной толкучки»; биологи называют такой обмен горизонтальным переносом. В ходе горизонтального переноса бактерии соединяются и обмениваются плазмидами – короткими кусочками генетического материала. Такое соединение может происходить даже между неродственными видами, которые так же далеки друг от друга, как коза и кувшинка. В результате этих спариваний появляются гибриды с новыми генами, способные выполнять новые задачи. Подобное соединение безостановочно происходит повсюду: прямо сейчас, пока вы это читаете, оно идет в вашем теле. Однако в начале эксперимента с мегачашкой его быть не могло. Ни у одной бактерии в эксперименте не было генов резистентности к триметоприму или ципрофлоксацину. Бактерии не могут обмениваться тем, чего у них нет.

Единственный путь, следуя которому бактерии в мегачашке могли выработать устойчивость, требовал случайных мутаций – таких изменений букв генетического кода, поколение за поколением, после которых какие-то из мутаций дали бы версии генов, позволяющие противостоять антибиотикам. У экземпляров с обновленными генами было бы намного больше шансов выжить в присутствии антибиотиков. Сама возможность этого походила на какое-то удивительное безумие, но на нем, собственно, и основана эволюция путем естественного отбора. Наш собственный геном эволюционировал (и эволюционирует) именно таким путем. Но он делал это очень и очень медленно.