Вопрос о том, существует ли эволюция, давно не волнует ученых. Доказательств так много, что лишь далекие от науки люди продолжают отстаивать идеи креационизма. Одним из основных аргументов является успешное наблюдение эволюционных процессов в лаборатории. Однако цель долговременного эксперимента по эволюции кишечной палочки, E.coli, — не победа в споре над гипотезой разумного замысла, а выявление механизмов развития жизни на Земле.
Долговременный эксперимент по эволюции кишечной палочки
Это уникальный эксперимент по эволюции бактерии E. coli в искусственных условиях, проведённый группой под руководством Ричарда Ленски в университете штата Мичиган. В процессе эксперимента прослежены генетические изменения, происходившие в 12 популяциях E. coli на протяжении 60 000 поколений. Эксперимент начался 24 февраля 1988 года и продолжается более 25 лет.
За время эксперимента обнаружен широкий спектр генетических изменений. Наиболее поразительной адаптацией стала появившаяся у одной из популяций способность усваивать цитрат натрия, которым исходные бактерии питаться не могли.
Бактерии E. coli размножаются делением, то есть бесполым путем, и благодаря этому можно быстро и легко создать огромную популяцию генетически идентичных организмов. В 1988 году Ленски взял бактерии из одной такой популяции и поместил их в двенадцать идентичных колб, содержащих одну и ту же среду, основным питательным компонентом которой являлась глюкоза.
Первым бактериям из этих двенадцати колб было суждено основать двенадцать независимо эволюционирующих линий, которым предстояло существовать отдельно друг от друга свыше двадцати лет. Почти как двенадцать колен Израилевых, разве что у тех не было запрета смешиваться друг с другом.
Эти двенадцать «колен» E. coli не жили все время в одной и той же колбе: каждой линии ежедневно доставалась новая (вообразите двенадцать рядов колб, семь тысяч в каждом). Каждый день небольшим количеством жидкости из предыдущей колбы — ровно сотая часть содержимого — заражалась новая, богатой глюкозой среда. Численность популяции бактерий в новой колбе начинала стремительно расти, однако через сутки темп роста всегда выходил на плато, потому что запас пищи иссякал.
Другими словами, сначала численность популяции в колбе резко возрастала, затем достигала плато, и в этот момент из популяции отбиралась новая проба, которую пересаживали в новую колбу, и цикл начинался заново. Таким образом, бактерии проходили через каждодневные циклы изобилия, сменяющегося голодом, от которого спасалась счастливая сотая часть, которую, как в стеклянном Ноевом ковчеге, переносили в новый, пусть временный, глюкозный рай. Замечательные, чудесные условия для эволюции. Немаловажно, что эксперимент шел параллельно на двенадцати линиях.
Ленски и его команда продолжали повторять эти операции ежедневно на протяжении двадцати с лишним лет. С начала эксперимента сменилось примерно 7000 «поколений колб» и около 45000 поколений бактерий (в день сменяется шесть-семь поколений). Если бы мы проследили столько же поколений назад в истории человека, то оказались бы примерно за миллион лет до сегодняшнего дня, во времена Homo erectus — что, впрочем, по эволюционным меркам не так уж много.
Задумайтесь на секунду — если уж за время, эквивалентное миллиону лет по меркам млекопитающих, Ленски наблюдает эволюционные изменения, сколько изменений должно было произойти за сто миллионов лет реальной эволюции млекопитающих? А ведь сто миллионов лет — это не так уж много с точки зрения геологии.
И вот вскоре после поколения № 33000 произошло нечто удивительное.
Одна из двенадцати линий, Ara -3, внезапно словно взбесилась. Сразу после поколения № 33100, плотность популяции Ara –3 начала чрезвычайно быстро расти.
Для этой популяции наступил «золотой век». Спустя всего несколько дней типичная высота плато, на которой стабилизировалась численность бактерий в популяции, выросла в шесть раз по сравнению с недавно еще таким постоянным значением, которое демонстрировали остальные линии. Возросшая высота плато впоследствии достигалась всеми поколениями линии Ara –3, и никогда — бактериями других линий.
Все выглядело так, как будто линии Ara –3 досталась большая, чем другим, порция глюкозы. Однако никто этим бактериям лишней глюкозы не давал: во все колбы помещалось одинаковое, тщательно отмеренное ее количество.
Что же случилось с линией Ara –3? Ленски и двое его коллег потратили некоторое время на выяснение этого, и их усилия окупились сторицей. Произошло нечто замечательное.
Ресурсом, ограничивающим рост популяции, являлась глюкоза, но глюкоза была не единственным питательным веществом в культуральной среде. Кроме глюкозы там был цитрат (лимонная кислота). Цитрата в среде было много, однако бактерия E. coli была не способна его усваивать. Но стоило бы хоть одной бактерии научиться усваивать цитрат, перед ней открылось бы настоящее Эльдорадо.
Именно это произошло с линией Ara –3. Эта линия, и только она, внезапно обрела способность усваивать не только глюкозу, но и цитрат. Таким образом, количество пищи в колбе резко возросло, и, соответственно, резко вырос уровень плато, на котором стабилизируется популяция в конце каждого суточного цикла.
Работы Ленски демонстрируют нам в масштабе микрокосма и условиях лаборатории многократно ускоренные процессы эволюции путем естественного отбора. Мы наблюдаем: случайную мутацию, за которой следует неслучайный отбор; независимые пути адаптации к одним и тем же внешним условиям у разных популяций; эволюционные изменения за счет добавления успешных мутаций к существующим; зависимость эффектов некоторых генов от присутствия других генов. И все это произошло за время, составляющее ничтожную долю срока, который обычно требуется для эволюционных изменений в природе.
По материалам книги Р. Докинза «Самое грандиозное шоу на Земле».
