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

Лосось из Пик — Крик впрямую сталкивается именно с тем выбором, о котором говорил Уильямс. Покидая океан, чтобы подняться по реке вверх к местам икрометания, рыбы полностью прекращают питаться. В результате имеющееся у них на тот момент ограниченное количество энергии они должны оптимально распределить и потратить на необходимые вещи, которые им предстоит сделать перед смертью. Самкам какое‑то количество энергии придется пустить на развитие репродуктивной системы — ведь необходимо будет сформировать и отложить икру. Часть энергии уйдет на поддержание тела, чтобы можно было прожить достаточно долго и успеть защитить свою кладку от других лососей. Конец известен: кончится энергия, кончится и жизнь.

Исходя из эволюционной логики, ученые предсказали, что лососи, пришедшие в Пик — Крик в начале сезона, проживут дольше, чем те, кто придет позже. Самке, которая успеет отметать икру в июле, придется несколько недель сражаться за то, чтобы отложенные икринки остались целы и невредимы. Если такая рыбина вложит всю энергию в икринки и погибнет рано, другие лососи захватят приготовленное ей гнездо, и ее генов не будет в следующем поколении лососей. С другой стороны, если приплывшая позже вложит всю энергию в долгую жизнь, такая трата окажется напрасной — рыбина останется жить, когда остальные погибнут и охранять кладку будет не от кого. Иными словами, опаздывающим следует вкладывать энергию в производство дополнительных икринок, а долгая жизнь им ни к чему.

Когда исследователи сравнили продолжительность жизни лососей, прибывших в районы нереста в разное время, их предсказания вполне оправдались. Те, кто приплыл раньше, прожили в речке в среднем по 26 дней, тогда как припоздавшие — всего по двенадцать. Первые разделили энергию между икринками и собственным телом примерно поровну, а последние потратили на формирование икринок — яиц примерно вдвое больше энергии, чем на поддержание жизни собственного тела.

Предсказания Уильямса работают не только для лососей, но и для плодовых мушек, уксусных нематод, рыбок гуппи, лебедей, людей и многих других видов живых существ. Однако до недавнего времени специалисты по старению считали, что к E. coli все вышесказанное не относится. Казалось, что для нее выбора между долгой жизнью и продолжением рода попросту не существует. У E. coli нет детей и родителей. Отдельная E. coli просто копирует собственную ДНК и делится надвое; возникает две новые особи. Родитель превращается в собственных потомков. Голод может замедлить деление бактерии, а химическое оружие или другие поражающие факторы — попросту убить. Но, если бактерию оставить в покое и снабжать достаточным количеством пищи, она будет размножаться до бесконечности, и каждый новый микроб будет таким же здоровым, как его предки.

По крайней мере так думали ученые, пока Эрик Стюарт — микробиолог, работающий в настоящее время в Северо — Восточном университете, не решил повнимательнее присмотреться к давно знакомой E. coli. Вместе с коллегами он соорудил что‑то вроде рая для E. coli — какой мог бы появиться в воспаленном воображении какой — ни- будь бактерии. Ученые поместили одиночный микроорганизм на покрытую агаром пластинку, прикрыли ее сверху стеклом и запечатали боковые швы силиконовым герметиком. Выбранная для эксперимента бактерия была носителем светоизлучающего гена, что делало наблюдение за ней через верхнее стекло простым и удобным. Пластинку установили под микроскопом, а весь аппарат поместили в бокс с температурой, соответствующей температуре кишечника здорового человека.

Счастливая E. coli питалась и делилась. Ее потомки распределились по пластинке слоем толщиной в одну бактерию. Через определенные временные интервалы камера, установленная на микроскопе, автоматически делала снимок светящейся колонии. Сравнивая последовательные изображения, Стюарт мог проследить судьбу любой веточки подопытной династии E. coli. Он мог определить, сколько времени потребовалось на деление каждой бактерии, а затем двум ее отпрыскам, а затем четырем внукам… Считая, что все бактерии генетически одинаковы и живут в одинаковых идеальных для роста условиях, можно было бы предположить, что и расти они будут с одинаковой скоростью. Однако экспериментальные данные этого не подтвердили. Некоторые особи росли заметно медленнее своих «братьев», а со временем их потомки все сильнее отставали в росте.

Некоторые бактерии, как обнаружил Стюарт, старели. Каждый раз при делении E. coli выстраивает себе кольцо на талии, и это кольцо постепенно стягивается и делит клетку пополам. Одновременно она производит две новые крышечки, назначение которых — прикрыть концы дочерних клеток. Те при делении тоже образуют новые крышечки. Через несколько поколений у одних бактерий оказываются старые кончики, а у других — новые. Числа на диаграмме показывают, сколько поколений назад была создана соответствующая крышечка.

Стюарт обнаружил, что, чем старее крышечки на бактерии, тем медленнее она растет. Он смог проследить за жизнью своих бактерий на протяжении всего лишь семи поколений, но, согласно его оценке, деление стареющих E. coli замедляется достаточно быстро, а через сто поколений вообще прекращается.

Для объяснения полученных данных вновь может пригодиться волшебное кольцо Уильямса — Гамильтона. Должно быть, старение дает E. coli какие‑то эволюционные преимущества по сравнению с бессмертием. Возможно, все дело в том неизбежном ущербе, который со временем терпит любая бактерия. Белки изменяют форму, гены мутируют. При делении бактерия может либо передать все поврежденные белки и гены одному из потомков, либо поделить их на двоих. От поколения к поколению изменения накапливаются и ложатся на «плечи» новых бактерий тяжким грузом. Разумеется, E. coli способна исправить повреждения — и, кстати говоря, многое исправляет. Ремонтные работы, однако, тоже имеют свою цену. Бактерии приходится тратить на это много энергии и питательных веществ. Но если она потратит все ресурсы на ремонт, то непременно проиграет в конкурентной борьбе какой‑нибудь другой, менее обремененной губительным наследием особи.

Существует и другой способ бороться с накоплением дефектов — их всех можно сбросить в одно место. У E. coli такими свалками служат полюса клетки. Бактерия почти не тратит сил на ремонт сложенного на полюсах, и при делении каждому из потомков достается один старый полюс с накопленными повреждениями и один новый, только что сформировавшийся с противоположной стороны. Поколения меняются, и со временем некоторые полюса становятся очень старыми и, как полагают ученые, накапливают в себе множество поврежденных белков. E. coli, утверждает Стюарт, вместо того чтобы стремиться к совершенству, делает из своих полюсов настоящие свалки. Весь этот мусор достается одному из ее потомков, зато другой рождается свободным от груза прошлого и может спокойно размножаться.

Так исчезло то, что прежде казалось серьезным нарушением правила Жака Моно. Мы вновь видим у E. coli такую же стратегию, какую используем сами. Когда из оплодотворенной человеческой яйцеклетки начинает развиваться зародыш, в нем очень скоро выделяются два типа клеток: клетки, которые в принципе способны дать начало новому человеку (яйцеклетки и сперматозоиды), и все остальные. Мы тратим огромное количество энергии на защиту яйцеклеток и сперматозоидов от разрушительного действия времени и гораздо меньше на защиту остальных клеток нашего тела. Этот бессознательный выбор позволяет нашим отпрыскам продолжать жить после нашей смерти. И человек, и E. coli за привилегию прожить жизнь должны расплатиться смертью.

Глава 7. Дарвин в аптеке

Жизнь против жизни

Бактерии, живущие в чашке на моем столе, оказались далеко от родного дома. Их предки покинули тело больного дифтерией калифорнийца 85 лет назад и никогда уже не возвращались в традиционное место обитания — человеческий кишечник. Их перенесли как бы в другое измерение — в мир колб и холодильников, центрифуг и рентгеновский лучей. Эти лабораторные существа наслаждались странным комфортом, пировали, насыщались аминокислотами и сахаром — и эволюционировали на протяжении тысяч поколений. Они научились быстро размножаться и потеряли способность длительное время жить в человеческом кишечнике. Бактериям удается избежать вымирания только потому, что они так дороги биологам, которые теперь заботливо переносят их из колбы в холодильник, а из холодильника в инкубатор.

Дикие родичи наших лабораторных любимцев все эти 85 лет жили своей жизнью. Они продолжали колонизацию кишечников и тоже эволюционировали. Бактерии, населяющие наши внутренности сегодня, не идентичны тем, что обитали в человеческом кишечнике в 1920 г. И причина значительной части происшедших с кишечной палочкой изменений — мы сами.