Доказательства эволюции в виде данных палеонтологии, сравнительной анатомии, эмбриологии и прочих биологических наук — это хорошо и убедительно, но учёные — люди любопытные. Им хочется попробовать всё своими руками и посмотреть своими глазами. Эволюция — не исключение, поэтому её тоже изучают экспериментальными методами.
Но наблюдать эволюцию на слонах или баобабах — это довольно долго и дорого, поэтому эволюцию биологам приходится изучать на микроорганизмах — они быстро плодятся и занимают мало места.
Самый масштабный из таких экспериментов — эволюционный эксперимент Ричарда Ленски на кишечных палочках Escherichia coli , который идёт с 1988 года, больше 30 лет. Результаты получились весьма неожиданные, как выразился биохимик Лесли Орджел, «эволюция оказалась умнее нас».
Даже перечислить в небольшой популярной статье все результаты опыта, длящегося вот уже треть века, невозможно, поэтому опишу тут только два самых простых для понимания и эффектных — поэтапное возникновение полезного новшества и разделение изначально единой культуры на две — наблюдай мы такое в природе, это назвалось бы «симпатрическим видообразованием».
Как всё начиналось
Собственно, Ленски с коллегами хотели понаблюдать самый простой процесс — приспособление бесполых организмов к однородной среде. Поэтому они взяли генномодифицированных кишечных палочек, принудительно лишённых способности к горизонтальному переносу генов, то есть не способных «одалживать» мутации у соседей и вынужденных, поэтому, обходиться своими. Пищей же бактериям служил слабый раствор глюкозы, в который для постоянства кислотности и связывания всяких ненужностей, вроде вездесущего железа, добавляли лимонную кислоту и прочие несъедобные для микробов вещества.
Бактерий рассадили в 12 колб и каждый день, когда они съедали всю глюкозу, переносили небольшое количество в свежую питательную среду. Каждые 500 поколений, то есть 75 дней, часть микробов замораживали в глицерине при -80 градусах по Цельсию. Микробам это ничуть не вредило, зато давало возможность при необходимости их разморозить и изучить поподробнее или «переиграть» их эволюцию заново.
Поскольку геном у кишечных палочек относительно небольшой, всего 4,6 млн нуклеотидных пар, а мутируют они довольно часто — экспериментаторы насчитали 200 мутаций в день — по идее за 20 лет каждая пара нуклеотидов должна было измениться, то есть от исходного генома теоретически могло уже ничего и не остаться. Разумеется, в реальности этого не произошло — некоторые мутации просто сделали бы их обладателей нежизнеспособными. Всё получилось гораздо сложнее и интереснее.
Как несъедобное стало съедобным
Через 31 000 поколений в одной из линий, условно обозначаемой А-3, экспериментаторы обнаружили странный эффект — к вечеру, когда вся глюкоза должна была быть съедена, а микробы — прекратить размножаться, всё выглядело так, будто глюкозы ещё не много, а очень много, а бактерии даже не думают приостанавливать деление. Заметили это по тому, что одна из колб (та самая А-3) к вечеру была гораздо мутнее, чем все остальные. Что указывало на намного большую плотность популяции.
Чудес не бывает, и раз палочки размножаются, даже съев всю глюкозу, значит, они едят что-то ещё, резонно рассудили Ленски с коллегами и стали выяснять, что же они там такое едят. И выяснили, что едят они лимонную кислоту, которую добавляли в питательную среду совсем не для еды, считая её несъедобной для E. coli , а для связывания железа. То есть вообще-то цитрат для кишечных палочек вполне съедобен, но не в присутствии кислорода, то есть они научились его употреблять в процессе эволюции в колбах.
Собственно, «жить захочешь — не так раскорячишься». Удивительным было на самом деле не то, что бактерии научились питаться цитратом в присутствии кислорода, а то, что этому научилась всего одна экспериментальная линия, а не все 12 или хотя бы половина. Экспериментаторам предстояло выяснить, почему же эта способность оказалась такой редкой.
Учёные предположили, что для усвоения цитрата нужно больше одной мутации, потому, собственно, оно и встречается так редко. Так оно и вышло — бактериям понадобились три мутации, чтобы этому научиться, причём первые две без третьей были почти бесполезны. Первая из них произошла после 15 000 поколений, вторая — примерно после 20 000. То есть у микробов возникло ровно то, что креационисты любят называть «неупрощаемой сложностью» и что, по их умозрительным теориям, ну никак не может быть результатом эволюции. Но перехитрила эволюция не только креационистов, но и самих экспериментаторов…
Как эволюция оказалась умнее учёных
Вообще-то группа Ленски, разумеется, не собиралась никому ничего доказывать, учёные просто хотели изучить процесс эволюции в предельно простых условиях — без обмена генами, в отсутствие хищников и паразитов, в однородной среде в стабильных условиях. Предполагалось, что при этом будет работать только отбор мутаций, и наиболее полезные из них будут фиксироваться, достигая частоты в 100 %, менее полезные наоборот, сойдут на нет.
Дойдя до 60 000 поколений, биологи решили изучить динамику закрепления мутаций, расшифровав геномы бактерий из разных поколений (как мы помним, в том числе для этого их через каждые 500 поколений замораживали). Ожидалось, что во времени частота встречаемости одних мутаций будет увеличиваться, пока не дойдёт до 100 %, другие будут постепенно исчезать.
На деле, однако, оказалось, что в 9 популяциях из 12 микробы разделились минимум на две линии, каждая из которых сначала быстро росла, потом останавливалась и начинала колебаться вокруг определённого уровня, не исчезая и не вытесняя другие. Увидев такое в дикой природе, мы бы сказали, что произошло симпатрическое видообразование. Собственно, оно и произошло, просто биологи условились, что называть видами линии, выведенные искусственным путём, они не будут. Да и трудно говорить о видах у бесполых организмов.
Собственно, это только два самых любопытных результата, которых эксперимент дал гораздо больше — и более сложных, и менее интересных для неспециалистов. Но это уже совсем другая история…
Спасибо всем, кто прочёл! Не забудьте поставить палец вверх и подписаться на канал.
Понравилось? Тогда можно ещё почитать:
