ии впоследствии дивергировать. А второй помогает понять, станут ли популяции, отличавшиеся друг от друга на старте или пережившие различные события, конвергировать, подходя к одинаковому эволюционному итогу.
Как вариант мы могли бы рассматривать первую группу экспериментов как дополняющую вторую. Даже те популяции, которые стартуют идентично, в конечном итоге разойдутся из-за различий в возникновении мутаций. Эти различия – такой же результат истории, как и изменения, спровоцированные внешними событиями. Вопрос следующий: если возникают подобные генетические различия, будут ли они способствовать дальнейшей дивергенции популяций или же популяции все равно продолжат адаптироваться общим способом?
Однако более масштабная проблема касается того, какие вопросы мы хотим задать. Философу было бы интересно узнать, будут ли популяции, которые стартуют одинаково и обладают идентичным опытом, эволюционировать идентично. Но для натуралистов, астробиологов и – рискну предположить – Стивена Джей Гулда вопрос стоит иначе. В природе популяции никогда не начинают развитие в точности одинаково и никогда не переживают одинаковой последовательности исторических событий. Следовательно, возникает вопрос: когда подобные популяции появляются в одинаковом окружении, будет ли достаточно воздействия всемогущего – как полагают Конвей
Моррис и другие исследователи – естественного отбора, чтобы преодолеть различия в генетическом составе и историях жизни? Или же естественный отбор ограничен рамками описанного исторического периода и на него частично влияет то, что происходило ранее? И значит, вероятней всего, каждый раз он будет выдавать разный результат, как утверждал Гулд?
Лабораторные эволюционные эксперименты помогли ученым проделать блестящую работу, проясняя данные вопросы и демонстрируя нам целый ряд различных эволюционных возможностей. Но их главное преимущество одновременно является их большим изъяном: они ограничены искусственными рамками лаборатории.
Лабораторные эксперименты задуманы таким образом, что они прекрасно контролируются. Внешние воздействия максимально исключены, позволяя исследователям концентрироваться на изучаемых факторах. Все это прекрасно и замечательно и важно для хорошо идущего эксперимента.
Но как мы уже убедились, природа шумна и неконтролируема. И сама идея об абсолютно идентичном окружении просто смешна: ветер подул, насекомых отнесло в сторону, пролетающая птица выкакала семя, которое проросло. Хаотично, конечно, и вопиюще для лабораторных ученых, привыкших контролировать все. Но это природа.
И это всего лишь часть тех йот и частиц, о которых говорил Гулд: одно прокручивание пленки будет отличаться от другого из-за какого-то события или условия – семя, буря, астероид. Если бы мы могли воспользоваться силой экспериментов в области микробиологии и гармонично соединить ее со случайностью природного мира, тогда бы точно проверили роль непредвиденных факторов времени и места. Оказывается, мы способны сделать именно это и в то же время узнать, как эволюция микробов влияет на человеческое благополучие.
Глава двенадцатаяЧеловеческая среда
Pseudomonas aeruginosa – это пронырливая бактерия, широко распространенная в окружающей среде и обладающая высокой степенью адаптивности: она способна выживать в нефтяных пятнах и внутри космического корабля. Она заражает растения, нематод, плодовых мушек, рыбу и большинство млекопитающих. У людей она ответственна за заражение ожогов, ран, мочевыводящих путей и глаз.
Особенно данная бактерия любит влажность, и это делает человеческие легкие привлекательным для нее местом. Для большинства людей это не проблема: мы просто выкашливаем их и выплевываем. Но совсем иначе обстоит дело у тех, кто страдает от муковисцидоза. У людей с этим заболеванием очень густая слизь, что затрудняет очищение легких. P.aeruginosa и другие бактерии используют сгустки слизи, образуя так называемую «биопленку», которая проникает в самые укромные уголки и складочки, и ее потом трудно вывести. Результатом этого становятся инфекции, пневмония, поражение легких и часто летальный исход – P.aeruginosa является причиной смерти восьмидесяти процентов больных муковисцидозом.
Примерно в 2000 году врачи пришли к выводу, что в этом процессе участвует не только P.aeruginosa, колонизирующая организмы больных и окапывающаяся в легочных путях.
На самом деле летальный исход частично обусловлен эволюцией бактерии, начавшейся уже после ее колонизации организма, когда она адаптируется к своей новой воздухоносной среде таким образом, что ее сложно уничтожить. И это увеличивает ее губительное воздействие на организм.
Данное открытие изменило способ лечения больных муко-висцидозом. В прошлые времена людей с таким заболеванием собирали вместе, часто отправляя в специально выделенные для этой цели летние лагеря и больничные палаты. Теперь мы понимаем, что это самый худший из возможных вариантов, так как подобные скопления людей способствовали передаче заметно эволюционировавших, смертельно опасных штаммов Р. aeruginosa от одного человека к другому. В наши дни контакт между людьми с муковисцидозом максимально ограничен, особенно в больницах.
А потому сегодня большинство людей с муковисцидозом заражаются P.aeruginosa не от других больных, а из окружающей среды. С точки зрения микроба, каждый человек с этим заболеванием – это возможность, а каждая колонизация P.Aeruginosa – это эволюционно независимое событие. Что, конечно, приводит к теперь уже знакомому нам вопросу: эволюционируют ли штаммы P.aeruginosa похожим образом, когда адаптируются к одинаковым, но не идентичным средам, в данном случае к человеческим легким?
Теоретически ответ на этот вопрос можно получить в лаборатории, подобно многим экспериментальным эволюционным исследованиям в области микробиологии, которые мы обсуждали в последних трех главах. На самом деле такой эксперимент был проведен[111]. Несколько предприимчивых канадских ученых создали искусственные человеческие легкие, изготовив вязкую липкую субстанцию, похожую на слизь в легких у больного муковисцидозом. Затем они поместили P.aeruginosa в чашки Петри, наполненные этой вязкой массой, и стали наблюдать за тем, как бактерии станут адаптироваться.
Как и в большинстве эволюционных экспериментов с микробами, копии популяций P.aeruginosa продемонстрировали схожесть в адаптации к новому окружению. Но все популяции были получены из микробов одинаковой культурной среды в чашках Петри – все они изначально были генетически похожи. А штаммы P.aeruginosa у пациентов с муковисцидозом, вероятно, существенно отличаются друг от друга.
В большинстве случаев возникновения инфекции муковисцидоза мы не знаем природного источника P.aeruginosa.
Очень возможно, что путь колонизации случаен: к примеру, один человек заражается через воду из водопроводного крана, а другой – во время охоты на болотах. Эти штаммы Р. aeruginosa теоретически могут быть адаптированы к самым разным средам и, вероятней всего, различаются генетически. И как мы знаем по предыдущим исследованиям, когда эксперимент начинается с популяций с неоднородной эволюционной и экологической историей, популяции могут адаптироваться своими особенными способами. Так что не стоит ждать того, что разнородные штаммы будут приспосабливаться к разным людям одинаково.
Но одно очевидно: бактерия, заселяющая дыхательные пути больного муковисцидозом, встретит там условия, отличные от условий внешнего мира. Там ей будут противостоять активная иммунная система, борющаяся с захватчиками, и антибиотики, пытающиеся обезвредить ее. Но P.aeruginosa также должна отразить нападки других соперничающих с нею видов бактерий и справиться с липким слоем слизи. Давление естественного отбора в данном случае будет очень сильным.
Кроме того, в дыхательной системе человека много разных сред, от придаточной пазухи носа до бронхиол и альвеол. Как следствие, доступно множество разных ниш, отличающихся друг от друга воздушным потоком, влажностью, содержанием кислорода, поверхностной структурой, обилием слизи и концентрацией антибиотиков. Такое варьирование, а также индивидуальные различия людей могут привести к тому, что разные штаммы P.aeruginosa адаптируются по-разному не только у разных людей, но и внутри отдельного организма.
Как – это, конечно, не теоретический вопрос. Большинство тестирований эволюционной повторяемости в лабораторных условиях проводится из чистого любопытства. Станут ли грибок, взятый с дуба, и вагинальный грибок адаптироваться похожим образом, живя в чашке Петри, наполненной глюкозой, – это может вызвать интерес эволюционных биологов. А вот ответ на вопрос, будут ли бактерии адаптироваться одинаково в легких у людей с муковисцидозом, актуален и имеет важные последствия для нашего мира. Чем более повторяема эволюция бактерий, тем, возможно, легче будет разработать новые препараты и методы терапевтического лечения.
В мире, где отсутствует понятие об этике, ученые намеренно бы стали заражать людей муковисцидозом разными штаммами P.aeruginosa и внимательно отслеживали бы эволюцию бактерии. В реальном мире, конечно же, даже мысль о том, чтобы задумать подобный эксперимент, была бы противоестественной. Но по сути тот же самый цикл происходит, когда больных муковисцидозом атакует P.aeruginosa.
Именно такой природный эксперимент изучали ученые в копенгагенском центре исследования муковисцидоза в начале этого века. В рамках протокола лечения больные приходят в центр ежемесячно, чтобы сдать образцы мокроты, которые затем исследуются на наличие в ней P.aeruginosa. Тем, у кого результат положительный, немедленно назначают курс лечения, который иногда эффективно помогает избавиться от бактерий.
И хотя данные процедуры созданы специально с терапевтическими целями, они также помогли провести плодотворное эволюционное исследование. Работающие в центре врачи-клиницисты определяли инфекцию P.aeruginosa почти сразу после ее возникновения, а затем наблюдали и повторно брали у пациентов образцы на протяжении продолжительного времени вплоть до десяти лет. Сравнивая образцы, взятые у одного пациента в разное время, персонал мог проследить эволюционное развитие бактерии.