Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов

Ленски понял, что есть способ избежать этих проблем – стратегия, которая уже была разработана, но еще не реализовала весь свой потенциал. Этот метод заключался в том, чтобы изучать эволюцию экспериментально, в лаборатории, с помощью микроскопических организмов. У микробов очень короткие генерации, они живут двадцать минут и даже меньше, что дает массу возможностей и времени для осуществления процесса эволюции. И вместо того чтобы направлять процесс отбора, как это делалось в большинстве предыдущих лабораторных исследований, ученые могли поместить организмы в новую для них среду, в ту, к которой они предположительно недостаточно хорошо адаптированы изначально. В этих условиях процесс селекции, несомненно, начнет подталкивать эволюцию, но в данном случае именно экспериментальная среда, а не исследователь, будет определять, какие организмы выживут и станут размножаться. В точности так, как это происходит в природе.

Некоторые микробиологи, начиная с 1940-х годов, делали это, но не для того, чтобы изучить, как работает эволюция, а, скорее, для того, чтобы понять внутренние механизмы микроорганизмов. Идея заключалась в том, чтобы подвергнуть микробов жестким испытаниям и посмотреть, какие биохимические или физиологические реакции они проявят, чтобы выжить. Есть еще один жесткий, но эффективный подход, когда исследователи используют приемы молекулярной биологии, лишая микробов части их функций и наблюдая за тем, как популяция выработает компенсирующий механизм. Благодаря такому подходу ученые многое узнали о том, как работает ДНК и функционируют клетки. Но в большинстве случаев тех, кто применял данный метод, не интересовал процесс эволюции. Скорее они использовали эволюцию для изучения механизма работы клеток. Такое положение дел начало меняться в начале 1980-х годов.

А ТЕПЕРЬ ПЕРЕНЕСЕМСЯ НА ШЕСТЬ ЛЕТ ВПЕРЕД, в 1988 год. Молодой Ленски только что закончил учебу в магистратуре, работая в университете Массачусетса в лаборатории Брюса Левина, гиганта в области микробиологии и одного из немногих в то время, кто использовал экспериментальные исследования микробов для изучения эволюции[45]. Заняв должность преподавателя в Калифорнийском университете в городе Ирвайн, Ленски приступил к осуществлению собственной исследовательской программы, реализуя свое видение нового подхода к долгосрочным эволюционным экспериментам на основе лабораторных исследований распространенной бактерии Escherichia coli (для удобства сократим ее до E.coli).

Каждая особь E.coli состоит всего из одной крошечной клетки, в длину около одного микрометра (0,00004). И при изобилии пищи эти клетки способны делиться каждые двадцать минут.

Микроскопический размер E.coli означает, что даже в маленькой колбе могут содержаться сотни миллионов особей. Чем больше особей в популяции, тем большее число мутаций произойдет. А чем больше мутаций в популяции, тем больше вероятность того, что случайно проявится какая-то особенно полезная – та, которую будет поощрять естественный отбор, и которая позволит популяции лучше адаптироваться к своей среде. Таким образом, можно было ожидать, что E.coli эволюционирует быстрее, чем другие лабораторные организмы с более продолжительным жизненным циклом и меньшими размерами популяции.

В силу того что ученые исследовали E.coli на протяжении многих десятилетий, они знали, в каких средах она может жить. Вооружившись этими знаниями, Ленски смог создать для них пригодную, но непростую среду, что оставляло место для эволюционных экспериментов.

В качестве отступления я должен отметить, что работать с E.coli неопасно. На самом деле о ней периодически вспоминают в новостях в связи с очередными массовыми пищевыми отравлениями. К тому же она способна вызывать некоторые очень серьезные и даже смертельные болезни. Но большинство типов, включая штамм, с которым работает Ленски, безвредны. На самом деле многие люди являются носителями больших популяций полезных штаммов E.coli, которые живут в пищеварительном тракте и осуществляют там важную работу, такую как выработка витамина К₂ и борьба с вредными бактериями. Более того, лабораторные штаммы адаптировались к жизни в стеклянных колбах и утратили способность жить в человеческом организме. Так что они явно не представляют никакой угрозы. Ленски и сотрудники его лаборатории работают в стандартных лабораторных халатах и даже не надевают перчаток, не говоря уже о защитных костюмах.

24 февраля 1988 года^[79] солнечным и не по сезону теплым для Южной Калифорнии днем Ленски взял обычную лабораторную чашку Петри. E.coli, как и другие бактерии, бесполая. Каждая клетка просто делится на две идентичные дочерние клетки. Когда клетку E.coli кладут на поверхность чашки Петри, она начинает безостановочно делиться, производя в конечном итоге маленькую горку из миллионов клеток, каждая из которых является идентичным потомком первой исходной клетки.