В начале эксперимента все особи в каждой популяции были генетически одинаковы, все идентичные потомки одной материнской клетки. Более того, так как у разных колоний-прародительниц было недостаточно времени, чтобы накопить мутации, то и основатели этих разных популяций, хоть и взятые из разных колоний, также были генетически идентичными. Это означает, что состав двенадцати экспериментальных колб был, по сути, генетически совершенно однороден – не было никаких генетических расхождений ни внутри, ни между популяциями[49]. Лишь со временем по мере возникновения мутаций стали бы заметны различия между популяциями и их способность дивергировать генетически.
Вот так в своем исследовании Ленски обошел проблему, которая возникала при проведении полевых эволюционных экспериментов. Среды во всех колбах были абсолютно идентичны, по крайней мере, настолько, насколько это мог сделать человек. Более того, сами популяции были изначально точными копиями друг друга, генетически одинаковыми. Это была реализация на практике мысленного эксперимента Гулда. Пленка проигрывалась одновременно двенадцать раз в содержимом двенадцати колб, стоявших бок о бок в морозильном контейнере. Одинаковая исходная точка, одинаковая среда. Приведут ли эти одновременные проигрывания эволюционной пленки к параллельным эволюционным итогам? А вдруг хаотичность мутаций – одна происходит в одной колбе, а совершенно другая в другой – подтолкнут процесс эволюции непредсказуемо в разных направлениях? Детерминизм против случая – что победит?
ДОЛГОСРОЧНЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПРОГРАММЫ дают возможность любому почувствовать себя историком. Вы можете вернуться в прошлое и проследить ход исследования, не только отмечая появление результатов, но и наблюдая за тем, как менялись толкование и выводы, сделанные на основе исследования. Такое ретрорасследование подкрепляется описаниями и публикациями, без которых немыслима академическая жизнь. Чтобы добиться успеха, ученые должны регулярно сообщать о проделанной работе, а это означает, что долгосрочный эксперимент подробно и последовательно отразится в последующих научных публикациях.
ДЭЭ Ленски в этом смысле не исключение. Пока я сижу и пишу эти строки, данный эксперимент продолжается уже более двадцати восьми лет. Как гласят зеркально отображенные цифры на окнах лаборатории, появилось уже шестьдесят четыре тысячи поколений. Этот рубеж был пройден несколько месяцев назад. А если зайти на веб-страничку Ленски, то там вы найдете список из семидесяти пяти научных публикаций, появившихся с момента начала данного проекта.
Давайте взглянем на вторую публикацию, вышедшую в 1994 году, спустя шесть лет после начала эксперимента, где обобщаются его результаты на основе наблюдений за первыми десятью тысячами популяций. В своей работе для сборника «Труды Национальной Академии наук[80] США» Ленски и Майкл Травизано, который на тот момент только что завершил работу над докторской диссертацией в лаборатории, сообщают о том, что все двенадцать популяций E.coli адаптировались к своей новой среде. Эти выводы они сделали на основании скорости, с которой популяция увеличивалась в размерах после ежедневного переноса ее в свежую среду. Однако степень лучшей адаптации у популяций варьировалась. Отдельные популяции росли на шестьдесят процентов быстрее, чем их предок, в то время как другие были всего на тридцать процентов плодовитее. Клетки E.coli также были крупнее своей предковой популяции. Но опять же эта разница варьировалась: какие-то популяции показывали увеличение объема клетки на пятьдесят процентов, другие были ни много ни мало на сто пятьдесят процентов крупнее. Ленски с Травизано сделали вывод, что популяции адаптировались по-разному. И это результат разных мутаций, которые произошли в разных колбах. Как они говорят, «наш эксперимент продемонстрировал важную роль случайных событий (исторических случайностей) в адаптивной эволюции».
Ленски в очередной раз оценил прогресс эксперимента на отметке в двадцать тысяч генераций. Популяции продолжали процветать, живя по принципу «пируй – голодай»: в среднем они вырастали на семьдесят процентов быстрее своей предковой популяции. Но все равно между популяциями оставались различия[81] в скорости роста. Однако их называли «легким расхождением» и придавали им меньшее значение: в целом все демонстрировали похожую тенденцию к увеличению скорости роста. И хотя новых данных о размерах клетки не сообщалось, но отмечалось параллельное увеличение их размера, а о вариативности среди популяций упоминалось, но этому не уделялось большого внимания.
Кроме того, лаборатория Ленски расширила способы сравнения популяций и сделала много новых многообещающих открытий.
Интересно, что все двенадцать популяций потеряли способность расти в колбах, содержащих другой сахарид, D-рибозу. Это говорило о том, что биохимическая структура клеток, по-видимому, менялась похожим образом. Несколько детальных сравнений различных аспектов генетики выявили, что те же самые изменения происходили во многих или во всех популяциях. В появившихся вскоре научных работах был сделан вывод, что не только популяции одинаково эволюционировали в плане скорости роста и клеточной анатомии, но еще и физиология с генетикой.
В 2011 году Ленски, оценивающий теперь уже пятьдесят тысяч генераций эволюции, еще раз подтвердил свое высказывание, заявив: «К моему удивлению, эволюция была очень повторяема..[82] И хотя клеточные линии, несомненно, расходились во многих деталях, меня поразили параллельные траектории их эволюции, когда похожие изменения наблюдались в столь многих фенотипических признаках и даже в нуклеотидных последовательностях генов, которые мы изучали».
ПРИМЕРНО В ТО ЖЕ САМОЕ ВРЕМЯ, когда Рич Ленски только начинал свой путь в науке, где-то на противоположной половине земного шара другой молодой человек начинал учебу в колледже. Как и Ленски, Пола Рейни[83] влекла биология. В университете Кентербери в Новой Зеландии он сначала изучал лесоводство, а потом ботанику. Но в отличие от Ленски Рейни не пошел в магистратуру по окончании университета. Поработав параллельно с учебой в качестве профессионального джазового музыканта, он отправился в Лондон и начало года провел, путешествуя по Европе, выступая, знакомясь с новыми городами, работая в пабах и пытаясь почувствовать этот мир. Вернувшись в Новую Зеландию, он продолжил зарабатывать на жизнь, играя на саксофоне, но в итоге сдался под давлением родственников своей подруги и стал работать менеджером по продажам в компании по производству молочных продуктов. Он успел проработать три месяца, прежде чем понял, что продажа пакетов с молоком и встреча с управляющими продуктовых магазинов это не та жизнь, о которой он мечтал.
И, как это часто бывает у молодых людей, решил продолжить учебу. Размышляя, какую магистерскую программу выбрать, он обнаружил вакансию для студента, интересующегося исследованиями, связанными с выращиванием грибов в промышленных масштабах.
В рамках этого проекта Рейни узнал о типе колониеобразующих бактерий под названием Pseudomonas fluorescens, который не только участвует в процессе размножения грибов, но также красиво переливается всеми цветами радуги. Он начал работать с этими бактериями, выращивая их в чашках Петри. По мере продвижения работы Рейни заметил то, чего он не ожидал: находившиеся в своих маленьких чашках бактерии, похоже, менялись со временем. Одни теряли свою окраску и становились прозрачными, в то же время утрачивая свою токсичность. Другие же делились на множественные типы.
Заинтригованный этим, он продолжал свои исследования, даже несмотря на то, что имел постоянную работу, связанную с производством грибов. Рейни пробовал выращивать бактерии в новых средах и условиях, наблюдая за тем, как они адаптируются к разному окружению. Тем временем степень магистра сменилась докторской степенью, после чего он уехал в Англию, чтобы продолжить свои исследования грибов в качестве постдока сначала в Кембридже, а потом в Оксфорде.
И именно в Оксфорде все, наконец, сошлось. Pseudomonas fluorescens – это тип бактерии, которая живет в почве и воде. Одной из задач Рейни было собрать и изучить образец штаммов бактерии, взятых с разных растений-хозяев. Один такой штамм был собран с листьев сахарной свеклы, растущей в местных лесах.
Он принес этот образец в лабораторию и поместил его в аналитический стакан, наполненный существенными питательными веществами. Вернувшись в лабораторию после выходных, он обнаружил, что на поверхности бульона бактерии образовали толстую липкую пленку из клеток. Дальнейшие исследования показали, что, оставаясь какое-то время нетронутыми в этом бульоне, бактерии дивергировали в три разных типа, которые заняли разные части стакана. Наблюдалось довольно интересное явление, когда один-единственный родственный тип породил три, явно адаптировавшихся к разным частям среды, – адаптивная радиация в миниатюре.
В эксперименте Рейни Pseudomonas fluorescens дивергировала на три типа с разными формами: гладкий (слева), сморщенный заполнитель (вверху) и ворсистый заполнитель (внизу).
Описание Рейни лабораторной адаптивной радиации стало беспрецедентным событием. Но самое поразительное заключалось в том, что когда Рейни снова и снова повторял эксперимент, помещая свекольную бактерию в бульон и предоставляя ей возможность делать свое дело, каждый раз появлялись те же самые три живущих в разных средах типа. Постоянно.
Когда Рейни в первый раз поместил бактерии в стакан, они были круглыми и глянцевыми и встречались во всем бульоне. Он называл их «гладкими». Однако довольно быстро гладкий тип оказался во внутренней зоне, так как эволюционировали два новых типа. Первый был в виде закругленных клеток с бороздчатыми морщинистыми краями, которыми они сцеплялись друг с другом, образуя ковры на поверхности бульона. Рейни назвал их «сморщенными заполнителями». Другой тип был такой же круглый, как и гладкие, но покрыт плотным слоем волосков, отсюда и его название «ворсистые заполнители». Как и сморщенные, ворсистые тоже сливаются, образуя на поверхности ковер, но они не такие способные, а потому быстро погружаются на дно стаканов, периодически на короткое время вновь колонизируя поверхность, пока вирусы атакуют сморщенных.