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

Подобные аргументы убедили судью Джонса в том, что как научная теория разумный замысел ничего собой не представляет. В декабре 2005 г. суд постановил, что книге «О пандах и людях» нечего делать в школьных классах Дувра. «Прозвучавшие на процессе свидетельства продемонстрировали, что разумный замысел — не что иное, как дитя креационизма», — записал Джонс в своем решении. На примере бактериального жгутика он показал, насколько близки и неразличимы две концепции.

«Креационисты утверждали, что сложность бактериального жгутика свидетельствует о его сотворенности; сегодня профессор Бехе и Миннич говорят то же самое о разумном замысле», — записал он.

Дуврский процесс стал катастрофой для креационистов. Члены школьного совета, поддержавшие введение «О пандах и людях» в школьную программу, еще до конца процесса потерпели поражение от противников такой политики. Члены советов по образованию Канзаса и Огайо, поддерживавшие преподавание разумного замысла, тоже потеряли свои места. Решение судьи Джонса было весьма тщательно проработано, и теперь оно, вероятно, станет прецедентом для всех будущих судебных дел о преподавании креационизма, под какой бы маской он ни прятался.

Примечательно, что креационисты несмотря ни на что по — прежнему обожают E. coli. Доступная научно- исследовательская сеть (Access Research Network) — еще одна организация, занятая пропагандой разумного замысла, — разместила изображение ее жгутика на футболках, фартуках, пивных и кофейных кружках, бейсбольной форме, календарях, открытках, пакетах и декоративных подушках. Все эти вещи с креационистской символикой можно приобрести в Интернете. На сайте сказано: «Этот механизм обеспечивает работу нескольких роторных реверсивных двигателей с постоянным крутящим моментом на протонной тяге; двигатели передают свою энергию через микроскопический редуктор, вращая спиралевидный жгутик со скоростью от 30000 до 100000 оборотов в минуту. Эта сложная система позволяет бактерии перемещаться со скоростью около десяти собственных длин в секунду. Не могли бы вы выяснить, кому принадлежит патент на эту штуку?»

На фартуке с рисунком жгутика вы увидите гораздо более короткое и простое послание. Над картинкой написано «Теория разумного замысла», а внизу — «Если что‑то выглядит специально сконструированным, может быть, так оно и есть?».

Жгутик после дуврского процесса

По случайному, но очень приятному совпадению дуврский процесс, в результате которого жгутик E. coli оказался в центре внимания мировой общественности, проходил примерно в то же время, когда ученые начали постепенно разбираться в происхождении и эволюции этого самого жгутика. Они стали прослеживать историю развития генов, отвечающих за синтез жгутика, отыскивая родственные гены у E. coli и других бактерий. Их совокупная генеалогия начинает складываться в цельную и логичную историю возникновения жгутика — наглядную иллюстрацию того, как жизнь в процессе эволюции порождает сложные признаки.

Важнейший урок этих новых исследований состоит в том, что говорить о жгутике вообще, как будто существует лишь одна его разновидность, абсурдно. У разных видов микроорганизмов можно обнаружить огромное количество вариантов его конструкции. Даже в пределах одного вида разные популяции бактерий могут использовать различные типы жгутиков.

Жгутики различаются между собой на самых разных уровнях; различия между ними могут быть и едва заметными, и принципиальными. Возьмите, к примеру, флагеллин — белок, который использует E. coli для строительства нити жгутика. Ученые насчитали 40 разновидностей флагеллина у разных штаммов E. coli и рассчитывают найти еще больше при расширении круга исследований. У разных видов бактерий флагеллин отличается еще сильнее. В 2003 г. микробиологи и генетики провели траление Саргассова моря и исследовали гены найденных микроорганизмов. Было обнаружено 300 генов, отвечающих за производство различных сортов флагеллина.

В свете теории эволюции такие находки закономерны. Единственный флагеллин, который был у предков современных бактерий, через дупликацию генов и мутации вполне мог дать начало множеству новых разновидностей. По мере того как различные виды микроорганизмов адаптировались к разным условиям — от обитания внутри человеческого кишечника до плавания в Саргассовом море, — их флагеллины тоже эволюционировали. И после того как несколько десятков миллионов лет назад сформировался вид E. coli, его флагеллины продолжали эволюционировать. Изменения флагеллина, вероятно, стимулировались необходимостью избегать излишнего внимания иммунной системы хозяина. Дело в том, что иммунная система распознает чужаков по белкам их поверхностного слоя (а это, в частности, флагеллин). Если какая‑нибудь мутация сделает внешнюю поверхность флагеллина менее заметной для иммунной системы, то естественный отбор, возможно, подхватит такую мутацию. И, как и следовало ожидать, большая часть вариаций в структуре флагеллина E. coli сосредоточена в частях, обращенных наружу. Части, обращенные внутрь, — а они должны аккуратно стыковаться с другими молекулами флагеллина — похожи друг на друга гораздо больше. Естественный отбор не слишком хорошо относится к мутациям, нарушающим плотно подогнанные соединения.

Жгутики могут различаться и еще по нескольким параметрам. У E. coli моторы вращаются за счет движения протонов, но у некоторых других видов для этой цели используются ионы натрия. E. coli вращает свой жгутик в жидкости. Другие виды формируют жгутики для скольжения по различным поверхностям. Ученым известны виды бактерий, способные строить жгутики того или другого вида в зависимости от того, в какой среде и как им предстоит плавать.

В 2005 г. Марк Паллен с коллегами из Бирмингемского университета в Англии обнаружили комплект генов для строительства скользящего жгутика в совершенно неожиданном месте: в геноме E. coli. На самом деле E. coli не умеет синтезировать такие жгутики, потому что ген- включатель, который должен их активировать, выведен из строя мутацией. У некоторых штаммов ученые обнаружили все 44 гена, необходимые для строительства всех без исключения частей жгутика. У других штаммов некоторые гены успели полностью исчезнуть. Так, у К-12 от этого комплекта осталось всего два гена, причем эти гены так деградировали, что ученые не сразу разобрались в их происхождении и природе.

Открытие Паллена вполне закономерно, если жгутик — продукт эволюции, и не имеет никакого смысла, если он — результат разумного замысла. Сложная система развивается и передается от родителей потомству. В некоторых линиях она теряет функциональность и распадается. Дарвин в свое время описал немало рудиментарных органов — от прикрытых плотью глаз пещерных рыб до коротких страусиных крыльев. Дарвин утверждал, что, если естественный отбор по каким‑то причинам прекращает поддерживать функционирование тех или иных органов, это значит, что живые существа получили возможность выжить и без них. E. coli тоже несет в себе следы таких рудиментов — как обрывки древних текстов под свежими письменами палимпсеста.

E. coli несет в себе и свидетельства того, как первоначально сформировался ее жгутик. Как указал на дуврском судебном процессе Кеннет Миллер, «шприц», доставляющий флагеллин для формирования нити сквозь мембрану микроорганизма, полностью — до единого белка — соответствует секреторной системе III типа, при помощи которой микроорганизмы выводят наружу токсины и другие химические вещества. Это сходство говорит об общем предке. Секреторная система III типа — далеко не единственная структура, имеющая отношение к устройству жгутика. Белки его мотора, к примеру, родственны белкам других двигателей, при помощи которых E. coli и другие бактерии перекачивают различные молекулы изнутри наружу.

В настоящее время ученые, опираясь на эти сведения, разрабатывают гипотезы, объясняющие развитие жгутика. Одну гипотезу предложили в 2006 г. Паллен и Николас Матцке, выпускник Калифорнийского университета в Беркли. До появления жгутика, утверждают Паллен и Матцке, существовали более простые устройства, выполнявшие иные функции. При дупликации генов возникли дополнительные копии этих устройств, а мутации позволили им объединиться в единый развивающийся механизм — жгутик. Сегодня жгутик выполняет одну основную функцию: обеспечивает движение в жидкости. Но различные части этого механизма были предназначены совсем для другого.

Возможно, что «шприц» жгутика поначалу представлял собой просто пору, через которую молекулы химических веществ проникали сквозь внутреннюю мембрану. Затем к этому отверстию присоединился протонный мотор, при помощи которого наружу выталкивались даже крупные молекулы. Не исключено, что эта примитивная система позволяла древним бактериям обмениваться химическими сигналами и выпускать токсины. Из нее же со временем сформировались два различных вида структур: секреторная система III типа и «шприц», выталкивающий части будущего жгутика за пределы мембраны.