Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер

Живое и в наши дни продолжает эволюционировать. Оно точно так же не в состоянии перестать это делать, как вода не может перестать быть мокрой. Когда клен осыпает землю крылатками, он распространяет копии своих генов. Но каждый новый сеянец не идеальное повторение своих родителей. Он наследует перетасованные участки их хромосом. А в его генах содержатся новые варианты последовательности ДНК. Заряженные частицы и высокоэнергетические фотоны сталкиваются с генами и меняют последовательности нуклеотидов. Когда ферменты создают новые копии ДНК, они порой случайно ставят гуанин на место цитозина, а иной раз удваивают участок из тысяч оснований.

У клеток есть специальные ферменты для исправления подобных ошибок, но некоторые все же проскакивают. Яйцеклетка и сперматозоид, «зачавшие» вас, несли мутации, которых не было при рождении ваших родителей. Новые изменения передаются через поколения наряду со старыми, и так в течение веков накапливается генетическое разнообразие. Многие мутации так или иначе обходятся без последствий. Но кое-какие оказываются катастрофическими, поскольку приводят к смертельным заболеваниям и уродствам. Иные бывают полезными, они помогают организмам выживать и размножаться. Передаваясь по наследству, некоторые из них становятся более распространенными, другие же, напротив, – менее. Судьба каждой мутации может зависеть от случайности, но если заметно ее влияние на количество потомства у организма, то ее шансы на успех более определенны. Накапливаясь в эволюционной линии, полезные мутации способны дать начало новым адаптациям.

В основе эволюции лежит достаточно простая логика. Более того, она настолько проста, что Чарльз Дарвин определил ее еще в середине XIX в., за много десятков лет до того, как ученые узнали о генах, не говоря уже о том, чтобы разобраться в их устройстве. Дарвину хватило того наблюдения, что в каждом поколении животных и растений присутствует изменчивость и что некоторые варианты могут наследоваться. Он предположил, что этот процесс должен благоприятствовать тем вариантам, которые полезны для выживания и обзаведения потомством; он назвал его естественным отбором.

Знаменитый естествоиспытатель смог подметить результаты эволюции на примерах современных видов. При этом он полагал, что живое эволюционирует так же, как горы растут, – в течение миллионов лет, в масштабах, недоступных человеческому наблюдению. «Мы ничего не замечаем в этих медленных переменах в развитии, пока рука времени не отметит истекших веков, да и тогда наше понимание геологического прошлого несовершенно: мы замечаем только, что современные формы жизни отличаются от когда-то существовавших»^[143][144], – писал он.

Дарвин заблуждался, но это вполне простительно. Он никак не мог знать, что микробы способны продемонстрировать эволюцию в действии за считаные недели. Утром 15 февраля 1988 г. в Ирвайне, штат Калифорния, микробиолог Ричард Ленски начал исследование с бактериями, которое растянулось на десятилетия. И это был первый эксперимент, в котором стали раскрываться секреты эволюции.

Бактерии могут делиться каждые 20 мин, а это значит, что одна бактерия способна за сутки породить миллиардную популяцию. Какие-то из этого миллиарда потомков окажутся носителями новых мутаций, которые будут иметь отношение к скорости их роста и размножения. Для миллиарда птиц нужен целый континент. Для миллиарда бактерий – всего лишь колба.

Ленски задумал эксперимент, с помощью которого надеялся получить видимые эволюционные изменения. Он начал с единственной клетки кишечной палочки – бактерии Escherichia coli, которую давно приручили в микробиологических лабораториях. Вырастив из этой основательницы колонию, исследователь расселил потомство по 12 колбам. В каждой колбе содержалось ровно столько сахара, сколько нужно бактериям, чтобы прожить несколько часов. После того как запас заканчивался, им предстояло как-то дожить до следующего утра. Затем Ленски и его студенты брали немного жидкости из каждой колбы и впрыскивали ее в новые колбы. Бактерии, выдержавшие переселение, получали возможность снова кормиться сахаром и размножаться.

Чтобы проследить их историю, Ленски создал, по его собственному выражению, замороженную ископаемую летопись. Через каждые пятьсот поколений из каждой колбы брались пробы жидкости с клетками и помещались в морозилку. Впоследствии исследователь мог оживлять бактерии и сравнивать их с потомками. Когда в 1991 г. Ленски перевез свои колбы и морозильники на новое рабочее место в Мичиганском университете, 12 колоний дали уже несколько тысяч поколений. И они явно эволюционировали.

Во всех колбах потомки приобрели мутации, позволявшие им выживать в новой среде, ускоренно запасая пищу и переживая ежедневные эпизоды полного поста. Они быстрее достигали размера, необходимого для деления. Приобретая все больше полезных мутаций, они в конце концов стали расти на 75 % шустрее, чем их предки. Одновременно микробы увеличивались, став в итоге вдвое крупнее своих прародителей, – почему, Ленски и его коллегам еще предстоит выяснить. В последующие годы они определили многие мутации, возникшие в каждой из 12 линий. Удалось выяснить, что за некоторые конкретные изменения в росте в разных линиях отвечали несходные мутации. Но естественный отбор двигал все 12 линий в одном и том же общем направлении.

С тех пор через лабораторию Ленски прошли десятки студентов и аспирантов^[145]. Проникнувшись теплыми чувствами к бактериям исследователя, они сами становились эволюционистами-экспериментаторами и основывали лаборатории по всем Соединенным Штатам. Одним из таких учеников был уже упоминавшийся Пол Тёрнер. Другой – Вон Купер. На научной конференции 2019 г. в Нью-Гемпшире я внимал высокому, худому Куперу, воодушевленно читавшему старшеклассникам лекцию о том, как увидеть эволюцию в действии. Он и его коллеги из Питтсбургского университета собрали специальный комплект предметов, позволяющий подросткам самим провести недельный эксперимент^[146]. Тысячи школьников уже получили результаты, объявил Купер. И я подумал, что писатель в возрасте за пятьдесят вполне может последовать их примеру.

Купер согласился прислать мне такой комплект, и в один прекрасный день у меня на крыльце оказалась картонная коробка. Я вскрыл ее и посмотрел, что внутри. Там оказались чашки Петри, запечатанные пробирки, пузырьки с прозрачными жидкостями и пакетик черных и белых бусин. В чашках были какие-то пупырышки с призрачными полосками и разводами. Они издавали неприятный сладковатый запах вроде того, что исходит от кувшина сидра, простоявшего на столе несколько дней. Эти чашки оказались засеяны родственницей синегнойной палочки – бактерией Pseudomonas fluorescens^[147], которая тоже обитает на растениях и в почве, но не поражает легкие больных муковисцидозом. Она достаточно безопасна для школьных опытов.