Второй неестественный – или искусственный – аспект лабораторных и сельскохозяйственных исследований заключается в том, что условия селекции обычно напрямую диктует исследователь или специалист по разведению животных. Хотите получить мясную породу скота? Выберите самых крупных животных и позвольте им размножаться поколение за поколением. Это отличный способ изучить влияние отбора на эволюционные изменения. Но в природе все происходит совсем не так.
Наоборот, в условиях дикой природы естественный отбор редко бывает настолько сильным, что лишь немногие особи с крайними проявлениями фенотипа выживают и размножаются. К тому же действие естественного отбора на какой-то конкретный признак, как правило, гораздо более сдержанное. А многочисленные селективные факторы воздействуют на разные признаки одновременно, иногда довольно противоречиво.
Так, у быстро бегающей мыши, может быть, и будет преимущество, но очень маленькое. У самой быстрой мыши шансы выжить, вероятно, процентов на десять выше, чем у остальных копунов. Но это означает, что по какой-то случайности многие быстрые мыши могут и не выжить, а кто-то медлительный выживет, если ему повезет. Также и у хорошо замаскированных мышей может быть похожее преимущество, но шустрые мышки совсем не обязательно хорошо замаскированы. Так что разные селективные воздействия могут войти в конфликт друг с другом. И в результате процесс отбора зачастую бывает очень слаб и вероятностен, значительно отличаясь от сильного и определенного характера отбора, что осуществляется в условиях лабораторных исследований.
Еще одно отличие лабораторной селекции в том, что в природе естественный отбор может быть непоследовательным. В какой-то год преимущество будет у более мускулистых оленей, а на следующий год могут настать тяжелые времена, когда выживут более стройные животные. В действительности по мере того, как популяции эволюционируют, они могут сами менять избирательные условия: наличие того признака, которому отдавалось предпочтение, когда оно было редким, может перестать быть преимуществом, когда оно распространено. А еще эволюционирующие популяции могут менять свою среду обитания – вспомните о бобровых плотинах как о крайних проявлениях этого явления, – и эти изменения могут повлиять на процесс отбора, отдавая предпочтение новым признакам, которые прежде не выделялись. Опять же это сильно отличается от последовательного селективного давления, оказываемого на одно за другим поколения в лабораторных условиях.
Ленски понял, что есть способ избежать этих проблем – стратегия, которая уже была разработана, но еще не реализовала весь свой потенциал. Этот метод заключался в том, чтобы изучать эволюцию экспериментально, в лаборатории, с помощью микроскопических организмов. У микробов очень короткие генерации, они живут двадцать минут и даже меньше, что дает массу возможностей и времени для осуществления процесса эволюции. И вместо того чтобы направлять процесс отбора, как это делалось в большинстве предыдущих лабораторных исследований, ученые могли поместить организмы в новую для них среду, в ту, к которой они предположительно недостаточно хорошо адаптированы изначально. В этих условиях процесс селекции, несомненно, начнет подталкивать эволюцию, но в данном случае именно экспериментальная среда, а не исследователь, будет определять, какие организмы выживут и станут размножаться. В точности так, как это происходит в природе.
Некоторые микробиологи, начиная с 1940-х годов, делали это, но не для того, чтобы изучить, как работает эволюция, а, скорее, для того, чтобы понять внутренние механизмы микроорганизмов. Идея заключалась в том, чтобы подвергнуть микробов жестким испытаниям и посмотреть, какие биохимические или физиологические реакции они проявят, чтобы выжить. Есть еще один жесткий, но эффективный подход, когда исследователи используют приемы молекулярной биологии, лишая микробов части их функций и наблюдая за тем, как популяция выработает компенсирующий механизм. Благодаря такому подходу ученые многое узнали о том, как работает ДНК и функционируют клетки. Но в большинстве случаев тех, кто применял данный метод, не интересовал процесс эволюции. Скорее они использовали эволюцию для изучения механизма работы клеток. Такое положение дел начало меняться в начале 1980-х годов.
А ТЕПЕРЬ ПЕРЕНЕСЕМСЯ НА ШЕСТЬ ЛЕТ ВПЕРЕД, в 1988 год. Молодой Ленски только что закончил учебу в магистратуре, работая в университете Массачусетса в лаборатории Брюса Левина, гиганта в области микробиологии и одного из немногих в то время, кто использовал экспериментальные исследования микробов для изучения эволюции[45]. Заняв должность преподавателя в Калифорнийском университете в городе Ирвайн, Ленски приступил к осуществлению собственной исследовательской программы, реализуя свое видение нового подхода к долгосрочным эволюционным экспериментам на основе лабораторных исследований распространенной бактерии Escherichia coli (для удобства сократим ее до E.coli).
Каждая особь E.coli состоит всего из одной крошечной клетки, в длину около одного микрометра (0,00004). И при изобилии пищи эти клетки способны делиться каждые двадцать минут.
Микроскопический размер E.coli означает, что даже в маленькой колбе могут содержаться сотни миллионов особей. Чем больше особей в популяции, тем большее число мутаций произойдет. А чем больше мутаций в популяции, тем больше вероятность того, что случайно проявится какая-то особенно полезная – та, которую будет поощрять естественный отбор, и которая позволит популяции лучше адаптироваться к своей среде. Таким образом, можно было ожидать, что E.coli эволюционирует быстрее, чем другие лабораторные организмы с более продолжительным жизненным циклом и меньшими размерами популяции.
В силу того что ученые исследовали E.coli на протяжении многих десятилетий, они знали, в каких средах она может жить. Вооружившись этими знаниями, Ленски смог создать для них пригодную, но непростую среду, что оставляло место для эволюционных экспериментов.
В качестве отступления я должен отметить, что работать с E.coli неопасно. На самом деле о ней периодически вспоминают в новостях в связи с очередными массовыми пищевыми отравлениями. К тому же она способна вызывать некоторые очень серьезные и даже смертельные болезни. Но большинство типов, включая штамм, с которым работает Ленски, безвредны. На самом деле многие люди являются носителями больших популяций полезных штаммов E.coli, которые живут в пищеварительном тракте и осуществляют там важную работу, такую как выработка витамина К2 и борьба с вредными бактериями. Более того, лабораторные штаммы адаптировались к жизни в стеклянных колбах и утратили способность жить в человеческом организме. Так что они явно не представляют никакой угрозы. Ленски и сотрудники его лаборатории работают в стандартных лабораторных халатах и даже не надевают перчаток, не говоря уже о защитных костюмах.
24 февраля 1988 года[79] солнечным и не по сезону теплым для Южной Калифорнии днем Ленски взял обычную лабораторную чашку Петри. E.coli, как и другие бактерии, бесполая. Каждая клетка просто делится на две идентичные дочерние клетки. Когда клетку E.coli кладут на поверхность чашки Петри, она начинает безостановочно делиться, производя в конечном итоге маленькую горку из миллионов клеток, каждая из которых является идентичным потомком первой исходной клетки.
Эти горки называются колониями. Дно чашки, которую взял Ленски, было покрыто слоем клейкого полупрозрачного питательного желатина с десятками таких колоний, вырастающих на ее поверхности. Все эти колонии образовались из одиночных клеток E.coli лабораторного штамма под названием REL 606[46]. Ленски взял маленькую стерильную металлическую иголку и легонько коснулся ею одной из колоний, собрав на кончике сотни тысяч идентичных клеток. Затем он погрузил кончик иглы в жидкость объемом десять миллилитров в стерильной стеклянной колбе. Вот так зародилась еще одна долгосрочная популяция. Повторив данную процедуру одиннадцать раз, он поместил десяток колб[47] – каждая меньше чайной чашки – в морозильник при температуре 98,6 градусов по Фаренгейту (температура внутренних органов человека).
В этом эксперименте был еще один важный ингредиент. Исследователи, изучающие E.coli, используют широкий выбор «блюд», которыми они потчуют своих микроскопических питомцев. Кто-то кормит их стандартными биохимическими лабораторными питательными веществами, такими как измельченные в порошок кусочки дрожжевых грибков или белок сыворотки. А кто-то прибегает к экзотическим ингредиентам вроде овечьей крови или бульона из свиных мозгов и сердец. Диета, которую выбрал Ленски, была необычна сразу в двух аспектах. Во-первых, единственной пищей, которая присутствовала в их жидких жилищах, была глюкоза, моносахарид, который многие организмы используют для насыщения энергией[48]. Во-вторых, в отличие от стандартных лабораторных приготовлений запасы пищи были очень ограничены, причем ровно настолько, чтобы каждый день в течение шести часов популяция стремительно увеличивалась в размерах до тех пор, пока глюкоза не закончится. В этот момент клетки прекращали делиться и терпеливо ждали.
На следующий день кто-то из членов лаборатории откачивал 0,1 миллилитра жидкости из каждой колбы, что составляет один процент содержимого в колбе и, соответственно, один процент популяции E.coli (приблизительно пятьдесят миллионов E.coli), а затем впрыскивал в новую колбу с 9,9 миллилитра свежей жидкости с добавленной в нее глюкозой (лабораторные ученые используют термин «среда» для обозначения тех наполненных питательными веществами мест обитания, в которых живут их подопечные). И тогда цикл начинается заново.
Штамм E.coli, с помощью которого начался этот эксперимент, был предметом исследований, начиная с 1918 года. Но специфические условия данного эксперимента, в особенности низкие и циклично расходуемые уровни глюкозы, были впервые применены на микробах. Вероятно, данная среда создавала сильные селективные воздействия, с тем чтобы скудные ресурсы расходовались эффективно и быстро. Но в отличие от большинства лабораторных селекционных экспериментов Ленски не диктовал, кто будет победителем, а кто – проигравшим, отбирая тех микробов, которые выживут до следующего поколения. Наоборот, он предоставлял микробам возможность самим определять, кого вытеснить, по-своему решая, какая совокупность признаков наиболее пригодна. По этой причине ученый считал свой проект не экспериментом по отбору, а скорее долгосрочным эволюционным экспериментом (для краткости ДЭЭ).