Самый долгий эволюционный эксперимент [Veritasium]
Вот мой факс. Две колонии бактерий продвигаются сквозь полосы все более концентрированного антибиотика, дойдя до 1. А не на какое-то время замирают, но вдруг появляются несколько мутантов, способных выжить в новой среде. Мутации продолжаются, и вот бактерии уже выдерживают десятикратно концентрацию антибиотика. Затем стал кратно, и, наконец, всего через 11 дней эксперимента, дошедшие до середины, бактерии не боятся дозы в тысячу раз сильнее той, что убивала их предков. Вот так выглядит эволюция.
[Музыка]
Это Ричард Ленский. Он начал свой эксперимент 33 года назад, и с тех пор вместе с коллегами не прерывает его ни на один день, даже на выходные. В этой лаборатории находится 12 колоний кишечной палочки. Это колонии бактерий-везунчиков, которым удалось выжить на протяжении тридцати лет в условиях эксперимента. Здесь 12 линий долгожителей, каждая берет свое начало в 1988 году от одной из 12 первых бактерий. Тогда колонии разделили, и с тех пор они растут и делятся независимо друг от друга.
А что же эволюция? Это не единственный подобный эксперимент. С 1896 года в университете Иллинойса селективно выращивают кукурузу, но скорость смены поколений там одна в год, тогда как у этих бактерий появляется по шесть-семь поколений за день. Сегодня, 33 года спустя, сменилось уже 74500 поколений. По меркам человека это то же самое, что полтора миллиона лет эволюции гоминид.
Как начинал свой эксперимент? Мы посеяли популяцию бактерий в чашке Петри, и каждая клетка образовала свою колонию. После этого мы взяли пробы с каждой и поместили их в отдельные колбы. Таким образом популяции немного отличаются, так как у каждой свой предок. Так мы знаем, что если в последующих поколениях у разных популяций вдруг появятся схожие черты, дело не в том, что у всех бактерий изначально одинаковые участки ДНК, которые не трогал естественный отбор, а в том, что в колониях появлялись независимые мутации, которые оказались настолько удачными, что, возникнув, закрепились во всех 12 популяциях.
Лабораторные условия очень не похожи на те, в которых обычно живут бактерии. Здесь все проще: нет других организмов, температура 37 градусов, вокруг всегда одна и та же среда - раствор глюкозы, фосфата, калия, цитрата и еще пары веществ. Единственный источник углерода для бактерий - немного глюкозы. В итоге получается, что скорость поглощения глюкозы, эффективность, с которой бактерии превращают ее в новые клетки, вот черта, на которую работает отбор.
Каждый день бактерии проходят 6 или 7 делений, что увеличивает их количество в каждой колбе в сотню раз. Мы привыкли думать, что смена поколений - дело времени, но для бактерий главное - это доступность питательных веществ. Будь в растворе в 10 раз больше глюкозы, они росли бы в десять раз быстрее. Практически ежедневно в течение тридцати трех лет проводится следующая процедура: одну десятую миллилитра, или один процент раствора из каждой колбы, переносят в новую стерильную колбу с таким же раствором.
По сути, это стократно снижает концентрацию бактерий, и у них появляется местные ресурсы, чтобы продолжить делиться и восстановить свою популяцию. На следующий день ученые проделывают то же самое, и на следующий день, и на следующий, даже на выходных. Этот процесс не останавливается уже более трех десятилетий.
А что происходит с 99 процентами бактерий, которые остались в старых колбах? А вот здесь автоклав. И что тут происходит? Здесь каждый день весьма печальная участь постигает 99 процентов бактерий. Это вроде крематорий. Да, он и есть. Можно представить, что будет, если ученые не станут избавляться от прежних популяций. Эксперимент почти сразу придется закрыть. На второй день понадобится 1 кубометр раствора, а на 13-й объем был бы в 10 раз больше объема Земли, а на 42-й день эксперимент займёт всю обозримую вселенную.
Но разве наши гены не стараются оставаться неизменными и не допускать мутаций? Да, но у вас в эксперименте мутации не редкость. По нашим подсчетам, даже всего одна мутация встречается только у каждой 100 или 1000 бактерий. Это совсем немного. У людей, например, каждый ребенок несет в себе где-то 10, 20, 50 новых мутаций. Бактерии мало изменчивы, но их миллиарды, даже в маленькой колбочке. Так что если шанс мутации один на тысячу, а выборка составляет миллиард особей, то каждый день в одной из колб возникает миллион мутаций.
Так что естественному отбору есть где разгуляться. Около половины этих мутаций совсем не влияют на способность бактерии жить и размножаться в конкретной среде. Возможно, они играли бы роль в не лабораторных стенах, но в таких простых условиях эти гены могут даже не активироваться. Вторая половина мутаций, мы сейчас грубо считаем, может оказаться вредной и делать жизнь бактерии хуже. Из миллиона мутации, возникающих каждый день, есть, может быть, 10 или 100 или 1000 таких, которые меняют что-то в клетке и дают ей преимущество перед прошлым поколением.
Эти бактерии растут в течение дня, затем 99 процентов популяции уничтожается, и один процент везунчиков выживает. И если получится так, что среди них есть те, кто рос на десять процентов быстрее остальных, то на следующий день они с большей вероятностью попадут в новую колбу в один процент избранных. И в новой среде они продолжат расти на десять процентов быстрее и так далее. Получается экспоненциальный рост. Так что мутации очень редки на первых порах, и многие из них теряются. Но если они успевают закрепиться и дают какое-то преимущество, они охватывают всю популяцию.
Но как понять, что у бактерии есть конкурентное преимущество? Как определить, что они лучше приспособились к среде обитания? Тут очень кстати одно из примечательных свойств бактерий: их можно надолго замораживать, а потом возвращать к жизни. Мы погружаем их в анабиоз. В этих контейнерах хранятся замороженные образцы разных поколений кишечной палочки. Каждые 500 поколений, примерно каждые 75 дней, ученые замораживают образцы из всех популяций. Таким образом, они создают своеобразную полионтологическую летопись, и образцы тридцатилетней давности, и сейчас жизнеспособны. Благодаря чему мы можем как бы путешествовать во времени.
Можно сравнить организмы из разных эпох, устроить соревнования между бактериями из 7000-10000 поколений и их далекими предками. Всё верно, ученые устраивают состязания между кишечными палочками старых и новых поколений, своеобразный бойцовский клуб для бактерий. Образцы старых колоний размораживают и смешивают в питательном растворе с бактериями последнего поколения. Делаем посев и замеряем их количественное соотношение на старте, затем колбу со смесью помещаем в инкубатор на день, после чего измерения повторяем. Цель - сравнить относительную скорость роста: какое поколение эффективнее усваивать глюкозу и быстрее размножается.
Как различить, где предки, а где уже потомки? Они ведь не размахивают табличками, на которых написано, кто из них кто. Для этого мы используем специальную цветовую маркировку. 6 популяций в особой агаровой среде образуют колонии красного цвета и 6 белого. И в каждом поколении у нас есть красные и белые бактерии. Мы составляем пары: красная молодая популяция против белой популяции предков или белая молодая популяция против красных предков и смотрим, кто быстрее.
На графике справа видно, что более молодая популяция красных потомков победила своих белых предков. Но чтобы все было точно, колонии подсчитывают вручную. Какими были первые значительные результаты эксперимента? Первое, что мы увидели, вполне ожидаемо, это наглядное подтверждение теории Дарвина об адаптации путем естественного отбора. Бактерии становятся более конкурентоспособными. Из похожих экспериментов известно, что в новой среде происходит взрывной рост эволюционных изменений, который потом замедляется. Наши наблюдения это подтверждают, и я предположил, что в перспективе кривая точно так же выйдет на плато.
Я даже подумывал закрыть эксперимент, но мои мудрые коллеги и моя жена Медельин отговорили меня, и мы продолжили. Как оказалось, не зря, потому что в 2003 году бактерии начали вести себя весьма неожиданно: одна из 12 линий вдруг научилась усваивать еще одно вещество, содержащее углерод, цитрат, который присутствовал в среде с самого начала эксперимента. Это вещество выступает в качестве хелатирующего агента, его задача связывать металлы, но суть в том, что кишечные палочки как вид цитратом не питаются.
И вот мы как-то заметили, что в одной из колб раствор помутнел. Я подумал, что туда кто-то попал. Бактерия, способная усваивать цитрат, и она там размножилась. Мы взяли образцы из морозильника и заново заселили колбу, при этом проверили те мутные бактерии. Неужели это кишечные палочки? Оказалось, что да, это они. Точно ли это палочки из нашей линии тоже? Да, стали изучать их гены. Стало очевидно, что одна из популяций, образно говоря, проснулась: однажды утром съела всю глюкозу и вдруг увидела, что ее ждет лимонный десерт, который никто другой не заметил. Колония нашла второй источник углерода и энергии.
Мой коллега Зак задался вопросом, почему это заняло столько времени и почему такая способность развилась только у одной популяции. Он отобрал из морозильника несколько индивидов, генетически идентичных бактерий из той же популяции и попробовал повторно развить у них эту способность в другой временной точке. Это как если вы перематываете пленку, чтобы пересмотреть какой-то момент фильма на 5, 10, 20 минуте. Зависит ли результат от того, откуда начать просмотр?
У нас было два возможных объяснения, почему бактериям так сложно развить способность усваивать цитрат. Первая состоит в том, что это очень редкая мутация, из тех, где нельзя изменить одну букву в цепочке ДНК; нужно, чтобы целый участок перевернулся, притом в конкретном месте и конкретным образом. Только так и не иначе, то есть это редкое событие, но произойти она может в любой момент. Вторая гипотеза заключается в том, что определенный ряд событий привел к тому, что какая-то обычная мутация вдруг возымела неожиданный эффект, который не мог появиться раньше, ведь для него абсолютно необходимы все предыдущие изменения, произошедшие в организме.
Как оказалось, способность усваивать цитрат появлялась так долго потому, что обе гипотезы верны. Ричард и его команда обнаружили и другие удивительные феномены. Вопреки ожиданиям количество бактерий в колбах со временем уменьшилось, но при этом сами бактерии стали крупнее. 6 из 12 популяций приобрели гипер-мутативность; стали мутировать в 100 раз чаще своих предков. Любопытно, что со временем в этих же колониях появились мутации, которые притормозили темпы генетических изменений.
Конечно, хорошо, когда ты развиваешься быстрее других, но если скорость слишком высока, у потомков появится много вредных мутаций. Но, наверное, самым удивительным оказалось то, что Ричард ошибался. Я же был уверен, что кривая чистоты мутаций выравняется. Я представлял очень простую математическую модель, в то что можно назвать равносторонний гиперболой: крутой подъем и затем асимптота. Есть другая, столь же простая модель - всего два параметра. Степенная модель. В ней рост замедляется, но не заканчивается, то есть нет верхней границы. Показатель продолжает идти вверх, просто темпы роста все меньше и меньше.
И вот оказалось, что эта вторая модель описывает наши данные лучше, чем первая, не только с точки зрения статистики. У нас совпали две кривые. Подумаешь, она предсказывает будущее. Вот что круто: если подставить в первую модель данные о том, как эволюционировали первые пять тысяч поколений и сделать прогноз, она предскажет плато. На таком уровне сверяемся с данными неверно, бактерии на самом деле уходят дальше. А вот степенная модель, согласно которой развитие замедляется, но не заканчивается, мы ей дали в 10 раз меньше данных. Она сделала точные прогнозы на 50 и даже 60 тысяч поколений вперед. Она предсказывает изменение темпов эволюции.
Мне кажется, это многое меняет. Я стал иначе воспринимать эксперимент и, в какой-то мере, жизнь на Земле. Она непрерывно эволюционирует, мы это знаем: то астероид упадет, то человек что-нибудь выдумает, то вирусы нахлынут или паразиты. Коэволюция не дает эволюции остановиться. Мир всё время меняется, и все живое меняется вместе с ним. Всё это безусловно так, но наш эксперимент показывает, что даже в постоянных условиях можно идти вперед. Пусть все более мелкими шажками, но двигаться, меняться. Поэтому мне кажется, развитие не остановится даже в неизменной среде. Я не сворачиваю эксперимент в том числе, чтобы узнать, а сможет ли модель и дальше предсказывать темпы эволюции.
Переведено и озвучено студией Арт Дайдар.