Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Отбившись от атак иммунной системы, шигелла выбирает себе удобную цель — клетку в стенке кишечника. Она сооружает себе «шприц», очень напоминающий этот же инструмент у E. coli 0157: Н7, и протыкает оболочку клетки. Молекулы, которые она впрыскивает, вместо того чтобы вызвать образование чаши на верхушке клетки, помогают сформировать проход, по которому шигелла может проскользнуть внутрь. Оказавшись внутри клетки, бактерия берет под контроль ее «скелет». Она продвигается вперед, заставив одно из волокон расти с заднего конца; другие волокна, попадающиеся ей на пути, она просто разрезает. Закончив пир в одной клетке, шигелла протискивается сквозь мембрану и начинает работу над ее соседкой. Умирающая клетка призывает к месту заражения дополнительную армию иммунных клеток, но они лишь открывают в стенке кишечника новые проходы, которыми может воспользоваться шигелла.

Как так получается, что E. coli может быть такой разной? Считается, что биологический вид состоит из особей, объединенных общими основными свойствами; нам кажется, что особи эти должны быть по существу одинаковыми. Если взглянуть на то, как ведут себя и действуют шигелла и E. coli 0157: Н7, можно подумать, что эти бактерии и безобидная E. coli К-12 принадлежат к совершенно разным видам. И все же анализ ДНК показывает, что все они, вне всякого сомнения, принадлежат к одному и тому же виду.

Если вам случится как‑нибудь остановиться после посещения загона для скота, чтобы тщательно вымыть руки, оглядитесь вокруг. Посмотрите на выставочных кур, гордо распушивших курчавые перья. Обратите внимание на кроликов с неподъемными ушами и на громадных свиней, послушно топающих на привязи за хозяевами. Вспомните их диких сородичей, куда менее нелепых: кустарниковую дикую курицу, американского зайца, дикого кабана. Эти животные наглядно демонстрируют, что у жизни нет никаких неизменных сущностей. Один из важнейших законов жизни заключается в том, что жизнь меняется. Кабаны становятся свиньями, а безобидная E. coli — убийцей. По случайному совпадению E. coli также является одним из лучших инструментов для изучения эволюции жизни: наблюдая за ней, можно понять, как развивается жизнь за дни, десятилетия или миллиарды лет. С одной стороны, она своим примером подтверждает основные положения теории Дарвина, с другой — показывает, насколько эволюция загадочнее и удивительнее, чем все, что Дарвин мог вообразить.

Глава 5. Вечный поток

Предки из морозильника

В УГЛУ ОДНОЙ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ Университета штата Мичиган в идеальном круге покачивается небольшой столик. Там на орбитальном шейкере (встряхивателе) установлен десяток колб с бульоном. Жидкость в них вращается по кругу идеальным конусом без единого всплеска или морщинки. В каждой колбе — миллиарды E. coli. За ними ухаживают биолог Ричард Ленски и команда лаборантов и студентов. Внешне эксперимент Ленски выглядит точно так же, как другие бесчисленные эксперименты, проходящие в разных уголках мира. Но есть одно очень важное отличие. Типичный эксперимент с E. coli может продолжаться всего несколько часов. За это время команда ученых может прогнать бактерии по лабиринту или вырастить их без кислорода, чтобы посмотреть, какие гены при этом включатся, а какие выключатся. Получив достаточно данных, чтобы разглядеть систему, ученые записывают результаты и избавляются от бактерий. А вот эксперимент в лаборатории Ричарда Ленски был начат в 1988 г. и продолжается до сих пор, хотя сменилось уже 40 000 поколений E. coli.

Ленски начал свой эксперимент с единичной бактерии E. coli. Он поместил ее в стерильную чашку Петри и позволил делиться до образования множества идентичных клонов. Эти клоны стали родоначальниками 12 отдельных — но генетически идентичных — линий. Ленски поместил каждую из этих линий в отдельную колбу. Отменив бесконечное сахарное пиршество, которым E. coli, как правило, наслаждаются в лабораториях, Ленски посадил своих микробов на голодную диету. Во второй половине дня у бактерий кончилась глюкоза. На следующее утро Ленски перенес 1 % уцелевших бактерий в новую колбу со свежим запасом сахара.

Периодически Ленски и его студенты извлекали из каждой колбы немного бактерий и закладывали их на хранение в морозильник, тогда как остальные бактерии в колбах продолжали спокойно размножаться. Время от времени Ленски размораживал какую‑то часть старой культуры и давал бактериям возможность выйти из анабиоза, вновь начать питаться и размножаться. После этого он сравнивал предков и потомков. Довольно быстро Ленски выяснил важный факт: бактерии — потомки не похожи на своих предков. В частности, они в два раза крупнее и размножаются на 70 % быстрее. Кроме того, они становятся привередливы в еде. Если кормить их любым другим сахаром, кроме глюкозы, они растут медленнее, чем их предки в таких же условиях. И некоторые из них мутируют значительно быстрее, чем бактерии исходной линии. Эволюция сделала потомков непохожими на своих предков.

«Я признаю, — писал Чарльз Дарвин в “Происхождении видов”, — что естественный отбор всегда будет работать чрезвычайно медленно»[15]. Ленски удалось при помощи E. coli сделать то, о чем Чарльз Дарвин не смел и мечтать: ему удалось наблюдать эволюцию в действии.

Ламарк на пляже

Я живу неподалеку от пролива Лонг — Айленд, и время от времени мы с женой вывозим дочерей на побережье. Девочки кидают камни в воду и собирают водоросли. Иногда во время прогулки к нам присоединяются кулики — песочники, птички довольно нервные. Они носятся вдоль берега, останавливаются иногда, чтобы погрузить свои клювы в ил, и вновь уносятся на своих тоненьких ножках — соломинках.

Два века назад на таком же пляже на другой стороне Атлантики один французский натуралист тоже наблюдал за болотными птицами и думал о том, откуда они взялись. Вывод, сделанный Жаном — Батистом Ламарком, гласил, что птицы постепенно, от поколения к поколению, менялись, приспосабливаясь к среде обитания. Они эволюционировали. В 1801 г. Ламарк так описал эволюцию болотных птиц:

«Можно заметить, что береговая птица, которая вовсе не любит плавать, но которой тем не менее необходимо подбираться в поисках добычи к самой воде, постоянно будет подвергаться опасности завязнуть в грязи и иле. Желая избежать погружения в жидкий ил и воду, такая птица приобретает привычку постоянно вытягивать и удлинять свои ноги. В результате за несколько поколений птицы, сохраняющие такой образ жизни, окажутся обладателями длинных, как ходули, голых ног».

«Желание» — это всего лишь очень приблизительное описание того, что имел в виду Ламарк. Он описывал «тонкие флюиды», циркулирующие в организме как птиц, так и всех прочих живых существ, оживляющие их и управляющие их ростом и движениями. Эти тонкие флюиды, как тогда считалось, подвержены влиянию привычек животных, приобретенных ими при взаимодействии с внешним миром. Когда жираф тянул шею к листьям высоко на дереве, тонкие флюиды активно перетекали в его шею, и, по мере того как больше и больше флюида проходило через шею, она удлинялась. Точно также и болотные птицы вытягивали ноги, чтобы приподняться над топью. Так они отрастили себе длинные ноги. И жирафы, и болотные птицы передавали телесные изменения своим потомкам.

Ламарк не считал, что его взгляды на этот предмет очень уж оригинальны. «Закон природы, согласно которому новые особи получают все, что было приобретено организмом за время жизни их родителей, так правдив, так поразителен и так явно подтверждается фактами, что не найдется наблюдателя, который не смог бы самостоятельно убедиться в его реальности», — писал он.

И все же, каким бы очевидным и всеобщим ни казалось такое мнение, сегодня с ним связывают имя одного лишь Ламарка. Дело в том, что он описал все эти перемены смелее, чем кто бы то ни был до него, сделав их частью амбициозной теории, которая должна была объяснить происхождение всего разнообразия жизни. Жизнь, утверждал Ламарк, меняется вынужденно — под действием изначально присущего ей внутреннего импульса, стремления от простого к сложному. Именно этот импульс превратил микробов в животных и растения. При этом на каждом этапе восходящего движения к сложности биологические виды приобретают, помимо всего прочего, черты, необходимые им для жизни в конкретных условиях среды, и передают эти черты своим потомкам.

Ламарк умер в 1829 г. бедным и слепым; его теория вызывала только насмешки. Но от вопросов, которые он ставил в своих книгах, натуралисты того времени не могли просто отмахнуться. Как, к примеру, можно объяснить существование палеонтологической летописи?[16] А распределение сходных видов по миру? Через 30 лет после смерти Ламарка свое объяснение предложил Чарльз Дарвин. Он выступил за эволюцию, но отверг изначально присущее всем живым существам внутреннее стремление от простого к сложному, о котором говорил Ламарк. Вместо этого Дарвин утверждал, что жизнь развивается, главным образом, с помощью естественного отбора.