Эволюция in vitro

Ее и выбрала объектом своего эксперимента группа сотрудников Университета штата Мичиган во главе с профессором Ричардом Ленски. Долгосрочный эволюционный эксперимент начался почти 30 лет назад — в феврале 1988 года. С тех пор в наблюдаемой популяции сменилось около 60 тысяч поколений бактерий, а публикации группы Ленски сообщают о все более интересных результатах.

В самом упрощенном виде теорию Дарвина можно представить так: организмы размножаются, воспроизводя себе подобных. В этом воспроизводстве время от времени происходят случайные ошибки — мутации, которые могут как ухудшать, так и улучшать способность их носителей жить и размножаться. Счастливые обладатели полезных мутаций оставляют больше потомства, чем те, у кого такой мутации нет, и постепенно «выигрышный» признак становится присущ всей популяции. Этот процесс, именуемый естественным отбором, постоянно изменяет живые организмы в сторону все большей приспособленности и может уводить их очень далеко от исходного облика.

Любой ученый, чья работа хоть немного соприкасается с эволюционными процессами, скажет, что реальная эволюция намного сложнее, что в ней участвует множество дополнительных факторов: изменения внешних условий, колебания численности популяции, физические препятствия, изолирующие части популяции друг от друга, случайные флуктуации генных частот, взаимоотношения с другими видами (хищниками, жертвами, конкурентами, симбионтами и т.д.), перенос генов от других видов и многое-многое другое. Предполагается, однако, что все эти факторы видоизменяют и разнообразят ход эволюции, но не являются необходимыми для нее. В отсутствие любого из них или даже их всех эволюция все равно будет идти, пока происходят случайные мутации и действует естественный отбор.

Именно это принципиальное положение и должен был в первую очередь проверить долгосрочный эксперимент Ленски. Его авторы взяли культуру конкретного штамма бактерий E. coli и посеяли ее в 12 флаконов с раствором, в котором единственным доступным для бактерий питательным веществом была глюкоза. Каждый день из каждого флакона (в котором за сутки успевало смениться 6?7 поколений бактерий, а число их возрастало примерно в 100 раз) забирали сотую часть раствора с бактериями и переливали во флакон со свежей питательной средой. Кроме того, из каждого 500-го поколения бактерий часть замораживалась в глицерине, что давало возможность перезапуска эволюции с этого момента. В остальном бактерии были предоставлены сами себе. Им предстояло эволюционировать в условиях стабильной среды, в отсутствие каких-либо других видов, конкурируя за единственный ресурс — глюкозу. Ученые никак не влияли на направление отбора и лишь фиксировали изменения в геноме бактерий и в их физиологических и биохимических возможностях. Полезность, вредность или нейтральность той или иной мутации оценивалась по тому, как она влияет на размножение своих носителей: размножаются ли они быстрее, чем их немутантные собратья, медленнее или с той же скоростью. Каждая из 12 экспериментальных линий эволюционировала самостоятельно — перенос бактерий из одной линии в другую исключался. Кроме того, иногда исследователи повторно запускали эволюцию некоторых линий с определенного момента, размораживая и помещая в питательную среду пробы из соответствующего поколения.

Что же удалось выяснить? Прежде всего, подтвердилось, что минимального набора дарвиновских факторов действительно достаточно для эволюции: во всех 12 линиях бактерии продолжали изменяться на протяжении всех прошедших поколений. Эксперимент не подтвердил распространенные теоретические представления о том, что эволюционирующая популяция за относительно короткое время достигает «локального максимума приспособленности» — эволюционного цугцванга, при котором любое дальнейшее изменение оказывается невыгодным. При этом движущий отбор должен сменяться стабилизирующим, поддерживающим сложившуюся норму и отсекающим все новые мутации. У бактерий Ленски, однако, полезные мутации продолжали появляться и через 50 тысяч поколений. А в шести линиях из 12 в результате поломки генов белков, обеспечивающих удвоение ДНК или/и «исправление опечаток» в ней, резко возросла частота мутаций — любых, но в том числе и полезных. Кстати, доля полезных мутаций оказалась не такой ничтожной, как это обычно принято думать: в разных линиях и на разных этапах эксперимента они составляли от 10 до 20% от общего числа мутаций. (Правда, не будем забывать, что эти данные получены для бактерий — наиболее простых живых существ, у которых нет индивидуального развития, требующего сложного согласования работы различных генов в различных частях организма. Понятно, что чем сложнее система, тем меньше вероятность, что случайное изменение улучшит ее работу.) Ленски и его сотрудники наблюдали даже постепенное формирование сложных приспособлений, требующих согласованных изменений в нескольких генах. В частности, благодаря такой серии изменений (каждое из которых оказывалось чем-то полезным и в то же время становилось предпосылкой для последующих) одна из линий бактерий обрела способность питаться не только глюкозой, но и лимонной кислотой, соли которой присутствовали в питательной среде в качестве химического стабилизатора. Включение в «рацион» цитрата позволило этой линии резко увеличить свою численность в стандартном флаконе.

И вот к концу третьего десятилетия наблюдений «эволюция в пробирке» преподнесла исследователям новый сюрприз.

Самозарождение экосистемы

Теоретически судьба всякой новой мутации должна сводиться к одному из трех вариантов. Если она полезна, то она подхватывается отбором и ее частота в популяции растет от поколения к поколению, пока не достигнет 100%. Если она вредна, то ее частота (и без того малая, ведь мутации возникают у единичных особей) сразу же начинает снижаться и вскоре она исчезает совсем. Наконец, если мутация нейтральна, т.е. не полезна и не вредна, то ее частота меняется случайным образом. В маленьких популяциях в результате таких случайных колебаний частота нейтральной мутации может достигнуть 100% (то есть прежняя, немутантная версия соответствующего гена будет просто потеряна). Но в эксперименте Ленски минимальная численность популяции (число бактерий, пересаживаемых в новый флакон со средой) была около 10 миллионов. В популяции такого размера случайные колебания генных частот невелики, так что частота нейтральных мутаций должна оставаться стабильно низкой.

Долгое время динамика всех возникающих мутаций в эксперименте более или менее соответствовала этой нехитрой схеме. Некоторое разнообразие вносил разве что феномен «генетического автостопа»: если в одном геноме оказывались нейтральная и полезная мутации, то в дальнейшем частота их обеих быстро и синхронно росла — полезная мутация как бы «везла» вместе с собой нейтральную, поскольку всем клеткам-потомкам они доставались в комплекте. У организмов с половым размножением таких «пассажиров» быстро «высаживает» половой процесс, перетасовывающий гены в каждом поколении. Но у E. coli нет сколько-нибудь регулярного полового процесса, и те нейтральные мутации, которым повезло, могли беспрепятственно «ехать» вплоть до 100-процентной частоты.

А в 2014 году Ленски и его сотрудники заметили, что в одной из линий происходит нечто странное. Частота вновь появившейся мутации росла, пока не достигла некоторой заметной величины. После этого рост прекратился: соотношение «нормальной» и мутантной форм колебалось вокруг некоторого равновесного состояния — ни одна из них не вытесняла другую. Детальный анализ показал, что эти формы («клады», как назвали их исследователи) сумели стать полезными друг другу: у них несколько разный метаболизм и каждая клада использует те вещества, которые ее «напарница» производит в избытке. Понятно, что случайное снижение доли одной клады приводит к дефициту производимого ею «экспортного продукта», что замедляет рост другой клады. В результате соотношение вновь возвращается к оптимальному. По сути дела, у каждой клады образовалась собственная экологическая ниша, и образующие эту кладу клетки конкурируют только между собой, но не с клетками другой клады.

Поначалу ученые расценили это как интересный, но уникальный случай. Однако в последующие годы признаки разделения труда стали демонстрировать и другие линии. В конце концов исследователи извлекли из морозильников все ранее замороженные пробы и провели полный метагеномный анализ. Эта инвентаризация была приурочена к преодолению экспериментальными линиями рубежа в 60?000 поколений, так что общее число составило 120?12 — 1440 проб. Их анализ позволил выявить все те возникшие за это время мутации, которым удалось достичь хотя бы 10-процентной частоты, и проследить дальнейшую судьбу каждой из них. В результате оказалось, что к моменту проведения «ревизии» пары клад, устойчиво сосуществующие друг с другом на протяжении многих поколений, сформировались по крайней мере в 9 из 12 экспериментальных линий. То есть самоусложнение эволюционирующей монокультурной популяции и ее превращение в простейшую экосистему — не редкий выверт, а наиболее вероятный (если не неизбежный) эволюционный сценарий.

При этом во всех этих линиях внутри каждой из сосуществующих клад продолжалась собственная эволюция — возникали новые мутации, некоторые из них подхватывались отбором и т.д. Но теперь уже им приходилось приспосабливаться не только к стабильным, раз и навсегда заданным абиотическим условиям, но и к взаимодействию с партнерами по «экосистеме». А поскольку те претерпевали собственную эволюцию, сами требования к эволюционирующим кладам уже не оставались стабильными. И действительно, в некоторых из выявленных пар клад то соотношение их долей, при котором достигалось равновесие, с течением времени изменялось. По сути дела, наблюдение «минимальной эволюции» на этом закончено — дальше бактериям в мичиганской лаборатории придется эволюционировать уже в сообществах.

Вряд ли, впрочем, Ленски и его сотрудники об этом жалеют. Ответы на свои первоначальные вопросы они получили, а обнаруженный ими феномен самопроизвольного усложнения эволюционирующей системы открывает перспективы новых исследований. Его теоретическое значение еще предстоит осмыслить, но уже сейчас ясно, что полученный результат дает если не ответ, то возможный ключ к ответу на некоторые старые проблемы.

В частности, до сих пор было непонятно, как совместить любые гипотезы о происхождении жизни с тем фактом, что все известные нам живые организмы могут жить только в сообществах и для своего устойчивого существования нуждаются в других видах живых организмов. Теперь мы знаем, что по крайней мере зачаточные формы таких сообществ могут самопроизвольно возникать из монокультур, причем достаточно быстро. Это не значит, что на заре существования жизни на Земле все было именно так, но противоречие между сценариями происхождения жизни и требованиями экологии уже не выглядит неразрешимым.

Тем временем уникальный эксперимент продолжается. И кто знает, какие еще удивительные джинны появятся из флакончиков лаборатории Ричарда Ленски.