Морозным субботним днем в конце января 2003 года член лаборатории Ленски Тим Купер дежурил, следя за ходом ДЭЭ. Это задание он выполнял уже множество раз. Но в тот холодный ветреный снежный день он бы, вероятно, предпочел остаться дома. Тем не менее долг обязывал, и Тим отправился в лабораторию.
На самом деле Куперу нравилась эта часть работы. Эксперимент шел уже четырнадцать лет и помог сделать существенные научные открытия. Перенося бактерий из старых жилищ в новые, с пополненными ресурсами, он чувствовал, что делает важное для науки дело, поддерживая ход эксперимента, который уже вошел в анналы эволюционной биологии.
Но вряд ли он догадывался, пробиваясь сквозь снежную бурю, что вскоре сам станет частью этой истории.
Прибыв в лабораторию в то утро, он сразу же приступил к работе. Он отправился в кабинет, где хранилась стерильная лабораторная посуда, и взял там новые колбы. Каждая была накрыта маленьким перевернутым аналитическим стаканом, который защищал отверстие колбы от попадания внутрь любых находившихся в воздухе бактерий. Наклеив на колбы бирки, Купер взял бутылку с уже приготовленной средой и аккуратно впрыснул пипеткой 9,9 миллилитра в каждую новую колбу.
Теперь настало время для важных переносов. Проголодавшиеся микробы сидели тихо и ждали уже почти целый день. И лишь немногие счастливчики будут приглашены на новый банкет, где они продолжат питаться, делиться и завоевывать новые пространства. Купер направился к термостату и достал оттуда колбы с бактериями. Он поместил их на поднос, чтобы затем отнести на лабораторный стол. Там он откачает из старой колбы 0,1 миллилитра среды и поместит ее в соответствующую новую колбу, инициировав дальнейший рост популяции в течение суток. Купер обычно брал сразу две колбы, быстро смотрел на них, а затем ставил на поднос. Некая внутренняя эксцентричность заставила его превратить эту обычную рутину в трудную задачу. А целью было минимизировать время переноса микробов из старых домов в новые жилища.
Следует отметить, что по мере того, как количество клеток E.coli в пробирке увеличивается, жидкость становится чуть менее прозрачной: сначала она чистая, но уже на следующий день слегка мутнеет. Прежде чем осуществить переносы, Куперу нужно было убедиться, что жидкость в каждой колбе была соответствующей степени мутности. Слишком прозрачная указывала бы на то, что что-то в предыдущий день пошло не так и что в колбе отсутствуют бактерии; а совсем непроницаемая означала бы взрыв бактериальной популяции – результат заселения колбы каким-то другим видом бактерий. Процедура была формальной: за три года работы в лаборатории Купер ни разу не видел, чтобы колба не была чуть затуманенной.
Купер вынул две первые колбы из держателей на металлической платформе, придерживая стаканы так, чтобы они плотно накрывали их сверху. Бросив быстрый взгляд, он убедился в том, что все в порядке. Второй комплект колб выглядел так же. Дальше шли колбы с популяциями Ага-3 и Ага+3 (не буду здесь объяснять, почему они так называются). Когда он достал эти колбы, то испытал… ну, наверно, «самый большой шок в своей жизни» – это слишком уж мелодраматично, но то, что он увидел, точно стало для него большим сюрпризом. Жидкость в колбе Ага-3 была непрозрачной и затуманенной. Эта непрозрачность свидетельствовала о бурном росте популяции бактерий: о том, чего не должно было произойти, учитывая ограниченное количество питательных веществ, которые давали E.coli каждый день.
Подобные вспышки случались несколько раз за четырнадцать лет эксперимента и были результатом оплошностей, которые позволили другому типу микробов воспользоваться этим и проскользнуть в колбу. Подобный промах был ожидаемой проблемой, и лаборатория Ленски была к ней готова. Каждый день после того, как популяцию переносили в новую колбу (назовем ее F1), старую (F0) ставили в морозильник на день для подстраховки. Если на следующий день новая колба (F1) становилась мутной и, возможно, заселенной, то ее содержимое выбраковывалось, а во взятую в тот день новую колбу (F2) засевалось содержимое предыдущей (F0) из морозильника. По сути, эксперимент пропускал один день – день, когда, вероятно, произошло заселение, – возвращаясь к старой колбе предыдущего дня, содержимое которой переходило в новую текущего дня. Следуя лабораторному протоколу, Купер четко выполнил все эти действия, используя пятничную колбу с Ага-3 из морозильника, чтобы заселить новую с Ага-3.
Дежурство в лаборатории Ленски в выходные включало два дня, поэтому Купер вернулся туда в воскресенье. К его удивлению, Ага-3 снова оказалась мутной. Испытывая еще большее любопытство, Купер извлек из колбы маленький образец и рассмотрел его под микроскопом.
Он ожидал увидеть маленькое количество клеток E.coli и большое количество клеток какого-то другого типа бактерии. Но все клетки были похожи на клетки E.coli. Надо признать, что большинство бактерий под микроскопом напоминают E.coli, так что данное наблюдение не было показательным. Но все равно Купер был взволнован, чувствуя, что это могло быть чем-то значительным.
В лаборатории также существовал протокол для устойчивого заселения, которое продолжалось даже тогда, когда пустела колба, оставшаяся с предыдущего дня. Как понять, когда контаминанты попали внутрь колбы? Возможно, они находились там в течение нескольких дней, но им потребовалось время, чтобы нарастить свою численность. У лаборатории не было возможности хранить все ежедневные образцы исключительно для подобного случая – место в морозильнике ограничено. А потому если возврат на один день назад не решал проблему неожиданного заселения, то следующим шагом был переход к плану Б.
Согласно лабораторным процедурам поворачивать время вспять можно было чуть дальше. В данном случае примерно на три недели назад. А возможным это становилось благодаря криогенным способностям E.coli. Способность микроба выживать в состоянии анабиоза, а потом размораживаться позволяет приостанавливать эксперимент на определенные промежутки времени. А кроме того, это позволяет исследователям в случае необходимости сохранять образцы в живом состоянии с предыдущих этапов эксперимента.
Через каждые пять сотен генераций (примерно семьдесят пять дней) члены лаборатории Ленски аккуратно переносили неиспользованные девяносто девять процентов популяции в стеклянные бутылочки с тщательно наклеенными на них бирками и помещали их в ультрахолодную морозильную камеру при температуре минус сто двенадцать градусов по Фаренгейту. Когда экспериментальные сбои случались в прошлом, ученые просто подходили к морозильнику – к «замороженным окаменелостям», как они их называют, – извлекали оттуда последний по времени архивированный образец и возобновляли эксперимент с этой точки.
Морозильник, в котором хранятся архивированные образцы, называется Авалон, а копии образцов держат в резервных морозильных камерах с названиями Кифхойзер, Вальгалла и Шешнаг.
Знаете, что означают эти названия? Я лично не знал. По словам Зака Блаунта (с которым мы вскоре познакомимся поближе), запасные морозильники «названы в честь тех мест из мифов и легенд[87], где спят великие герои в ожидании, когда они понадобятся снова». Во всех случаях предполагаемого заселения, когда лаборатория перезапускала эксперимент с помощью образцов из Авалона, проблема исчезала: возрожденные популяции вели себя нормально, и пробирки снова становились прозрачными.
Но не в этот раз. Прошло несколько недель, и опять возникло помутнение. Дальнейшее исследование подтвердило, что причина этого не в заселении. Напротив, именно законные обитатели пробирки заварили всю эту кашу. E.coli из популяции Ага-3 эволюционировали способом, который позволил им вырастать до десяти раз больше своего обычного размера.
Размер популяции Ага-3 был слишком велик, и им не хватало того минимального количества глюкозы, который давали ежедневно. Очевидно, микробы в этой популяции развили способность питаться чем-то еще в этом бульоне, тем, что всегда там было, но что ни одна из других популяций никогда не могла использовать. Вероятным кандидатом была молекула цитрат, остаток лимонной кислоты, которая придает лимону его кислый вкус, заставляя нас морщиться.
Теоретически цитрат подходит в качестве источника энергии для E.coli. На самом деле в случае отсутствия кислорода E.coli способна поглощать цитрат из окружающей среды и питаться ею. Но при наличии кислорода E.coli не ест цитрат. Причина в том, что работа по доставке цитрата в клетку E.coli выпадает на долю белка-переносчика, который высовывается из стенки клетки, цепляет молекулы цитрата и втягивает их внутрь, где они перевариваются. Этот белок производит ген citT, который активизируется только в тех средах, где нет кислорода. Почему возник такой порядок, неизвестно.
Неспособность E.coli использовать цитрат при наличии кислорода настолько устойчива и абсолютна, что считается диагностическим лабораторным инструментом для определения, является ли данная бактерия E.coli или нет.
По словам автора научных публикаций Карла Циммера, E.coli это «самый тщательно изучаемый вид на Земле»[88]. Но несмотря на бесчисленное количество осуществленных за прошедшее столетие экспериментов с этим организмом, описан всего один случай возникшей у лабораторной E.coli способности потреблять цитрат при наличии кислорода, и было это еще в 1982 году.
Появление цитрата в экспериментальной среде стало счастливой случайностью. Предыдущие исследователи включали цитрат в эксперименты с E.coli. Так как это работало в прошлом, Ленски придерживался этого надежного и проверенного метода. Зная об исследовании 1982 года, он задавался вопросом, неужели популяция может адаптироваться к использованию цитрата. Но эта идея увяла, потому что ни одна генерация E.coli не смогла расколоть «орешек» цитрат.
Пока не наступил черед генерации 33,127. Как только было исключено заселение, следующей вероятной гипотезой стало потребление цитрата. Первые тесты оказались положительными: когда образцы Ага-3 поместили в колбу с цитратом, но без глюкозы, они смогли выжить и прекрасно росли.