Генрих Эрлих - Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия

Удивительно, но семена все еще всходят, хотя и не все. Менее удивительно, что первыми сошли с дистанции культурные растения, а сорняки еще держатся. 80-летний рубеж преодолели Verbascum blattaria, Oenothera speciosa и Rumex crispus (по-русски их названия звучат не столь возвышенно – коровяк тараканий, ослинник красивый и щавель кудрявый). 120-летний юбилей справил только коровяк тараканий. Хотя не исключено, что при вскрытии очередной бутылки в 2020 году вдруг проснется кто-нибудь еще.

Вообще, длительные опыты в области медицины, зоологии, ботаники или сельского хозяйства проводятся с завидной регулярностью. Где-то внимательно следят за образом жизни участников исследования и его последствиями для здоровья, причем выводы зачастую имеют заметную маркетинговую направленность; скажем, китайцы не устают отмечать полезность потребления зеленого чая, французы – красного вина, а итальянцы – оливкового масла, то есть важных экспортных товаров каждой из этих стран. Где-то десятилетиями или даже веками наблюдают за популяцией животных. Селекционеры на протяжении многих лет изучают результаты своих трудов; агрономы, столетиями возделывая одну и ту же делянку, следят за истощением почвы и воздействием на этот процесс севооборота.

Некоторые длительные эксперименты направлены на изучение самих основ мироздания. Так, с февраля 1988 года в Мичиганском университете под руководством Ричарда Ленски наблюдают эволюцию живых существ. Для участия в эксперименте взяли хорошо известный лабораторный клон кишечной палочки, разделили культуру на 12 частей и разложили по баночкам. Кишечная палочка хороша тем, что изучена вдоль и поперек, к тому же выбранный штамм не способен к половому процессу – не может обмениваться фрагментами генетической информации: ученые хотели быть уверенными, что каждая новая мутация передается только через деление клетки. Исходно не было генетического разнообразия во всей культуре, за одним исключением – в половине баночек был мутант, приспособившийся перерабатывать арабинозу. Его оставили для последующих опытов по сравнению популяций – мутант дает отличающуюся окраску при обработке красителем. Так начался эксперимент по эволюции 12 независимых линий.

Бактерии живут в питательном растворе, но их еды – глюкозы – в нем немного, только чтобы выжить. Ежедневно исследователи отбирают каплю этого раствора и переносят в новую баночку. Каждое 500-е поколение, а оно получается на 75-й день, замораживают для будущих исследований и время от времени проводят секвенирование генома. С начала эксперимента сменилось уже более 66 000 поколений. Бактерии постепенно приспособились к малому количеству еды – стали крупнее предков, причем конца процессу укрупнения не видно: он идет по степенному закону. Быстрее всего приспособление проходило в первые 2000 поколений – это отражалось и на размере клеток, и на их "здоровье" – скорости роста по сравнению с предковыми поколениями. В 5000-м поколении одна из линий разделилась на две субпопуляции с большими и малыми колониями: первые процветали, когда глюкозы было относительно много, а вторые – когда ее почти всю съедали.

Как и положено, у бактерий накапливались мутации. Интересно, что в трех линиях из двенадцати частота мутаций в ходе эксперимента возросла в 25 раз, что было связано с мутацией в гене, отвечающем за ремонт ДНК. Последствия в одной линии стали заметны невооруженным глазом: в 33 127-м поколении раствор резко помутнел, что свидетельствует о быстром размножении бактерий. Оказалось, что они научились потреблять не только глюкозу, но и цитрат – соль лимонной кислоты, концентрация которой в питательном растворе была в 20 раз больше, чем глюкозы. Анализ предшествующих поколений показал, что мутация возникла в 31 500-м поколении, в 32 500-м мутанты заняли 19 % популяции, в 33 000-м почти вымерли, в 33 127-м вытеснили всех немутантов. А в 45 000-м поколении мутанты взяли и вымерли. Удивительно, но, имея на руках всю историю генетических изменений, исследователи не могут определить, с чем связаны такие резкие колебания. Более того, лишь к 2014 году стало более-менее ясно, в каких генах накапливались изменения, позволившие бактериям усваивать цитрат.

Этот результат вызвал новые споры. Бактерии, изучаемые в параллельном эксперименте, в группе исследователей во главе со Скоттом Миннихом из Университета Айдахо, приспособились усваивать цитрат из той же, бедной питанием, среды очень быстро – всего за сто поколений, то есть за пару недель [100] Dustin J. Van Hofwegen, Carolyn J. Hovde, Scott A. Minnich Rapid Evolution of Citrate Utilization by Escherichia coli by Direct Selection Requires citT and dctA. Journal of Bacteriology , 2016, 198 (7): 1022–1034. DOI: 10.1128/JB.00831–15 . Естественным образом возник вопрос: отчего же в опытах Ленски такая способность появилась всего в одной линии за более чем десять лет? Последовавшая за этим дискуссия, по сути, оставила данный вопрос без ответа.