Еще недавно считалось, что в условиях неизменной внешней среды рост приспособленности организмов имеет пределы. Но теперь выясняется, что это не так.
По словам Ричарда Ленски (Richard Lenski), видного американского специалиста в области эволюционной биологии, научные исследования напоминают попытку увидеть, что находится за стеной, медленно просовывая сквозь нее голову. Ясно, что пробить стену головой с разбега не получится, тут нужны долготерпение и выдержка. Эти качества в полной мере свойственны и самому профессору Ленски: эксперимент, который ученый проводит в своей лаборатории в университете штата Мичиган, длится вот уже более четверти века.
Вообще изучение биологической эволюции наталкивается на огромную, почти непреодолимую трудность: временные отрезки, на протяжении которых эволюция себя проявляет, обычно значительно превышают продолжительность жизни исследователя. Поэтому собственные эксперименты как источник новых знаний в этой сфере практически невозможны.
Кишечные палочки вынуждены жить впроголодь
Однако профессор Лански нашел выход из тупика: он изучает эволюцию на примере бактерий. "Есть несколько аспектов, которые делают изучение эволюции бактерий чрезвычайно интересным делом, - говорит исследователь. - Самое главное, конечно, то, что бактерии размножаются очень быстро, поколения сменяются стремительно, и это позволяет в известной мере наблюдать эволюцию, так сказать, за работой. А еще одна любопытная особенность бактерий состоит в том, что их можно заморозить, погрузить в спячку, а потом снова пробудить к жизни. Это позволяет сравнивать и даже заставлять непосредственно конкурировать между собой организмы из разных "эпох", разных этапов эволюции".
В лаборатории профессора Ленски с февраля 1988 года, то есть вот уже более 25 лет, стоят 12 колб, в которых культивируются популяции кишечной палочки Escherichia coli. Все 12 популяций имеют общего предка, то есть происходят от одной и той же бактерии. Поскольку в природе основным продуктом питания этих микроорганизмов является глюкоза, она, естественно, присутствует и в лабораторной питательной среде, но в малой концентрации (всего 25 миллиграммов на литр), так что бактерии живут впроголодь, постоянно испытывая стресс.
Каждый день одно и тоже - и так четверть века
В то же время питательная среда содержит значительное количество цитрата натрия, усваивать который эшерихия коли обычно не в состоянии.
Манипуляции с культурами строго регламентированы и проводятся по неизменным стандартным протоколам: каждый день лаборанты профессора Ленски переносят часть содержимого каждой колбы на свежую питательную среду, где рост популяции продолжается, а каждые 2,5 месяца пробы культур замораживают в глицерине.
Главное же, постоянно производится оценка изменения приспособленности популяций к внешней среде - при том что сама эта внешняя среда остается неизменной. "Если бы эволюционных биологов, включая и меня самого, спросили лет 15 или даже 10 назад, как долго бактерии будут изменяться, адаптируясь к внешней среде, если сама она не меняется, все мы дружно ответили бы, что через какое-то не очень продолжительное время приспособленность бактерий достигнет некоторого уровня и далее улучшаться перестанет", - признает ученый.
Однако такие представления оказались ошибочными.
Рост приспособленности описывается экспонентой
Хотя условия обитания в лаборатории не меняются вот уже 25 лет и за это время сменилось уже более 62 тысяч поколений бактерий, микроорганизмы продолжают эволюционировать. При прямом сравнении более ранних поколений с более поздними неизменно оказывается, что последние лучше справляются с голодным стрессом. А одна из популяций даже обрела способность усваивать цитрат натрия, и эта мутация в ней закрепилась.
Правда, поначалу приспособляемость бактерий росла более быстрыми темпами, затем этот рост стал постепенно замедляться, но он хорошо описывается экспонентой, а значит, будет продолжаться и впредь. "Из этой математической модели следует интересный прогноз, - говорит ученый. - Если продолжить эксперимент в том виде, в каком он проводится сегодня, то через миллион лет наши бактерии будут обладать такой же плодовитостью, какую сейчас они демонстрируют только в условиях полного изобилия питательных веществ. Это вполне реалистичный результат. Он лишь подтверждает, что и неизменная внешняя среда позволяет организмам эволюционировать бесконечно, адаптируясь к ней все лучше и лучше".
Не знает границ и любознательность ученых
Что же касается самого исследователя, то и он, несмотря на повторяющийся изо дня в день на протяжении многих лет рутинный ритуал, ничуть не сомневается в возможности новых научных достижений. Ученый говорит: "Я часто вынужден объяснять людям, почему такой долговременный эксперимент интересен для меня. Конечно, многие вещи повторяются, но вопросы, которые мы ставим перед собой, меняются со временем. Ведь когда мы только начинали наше исследование в 1988 году, ни о каком секвенировании генома бактерии и речи быть не могло. Десять лет назад это уже было возможно, но стоило миллион долларов. Сегодня же благодаря прогрессу в технологиях мы можем отслеживать эволюционные изменения на генетическом уровне. Характер нашей работы все время меняется, мы познаем процесс эволюции глубже, чем прежде. Это и делает науку захватывающе интересной".
А потому эксперимент в университете штата Мичиган продолжается. И продлится еще, как минимум, десять лет.
Источник: Русская служба DW