Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер

У клеток есть специальные ферменты для исправления подобных ошибок, но некоторые все же проскакивают. Яйцеклетка и сперматозоид, «зачавшие» вас, несли мутации, которых не было при рождении ваших родителей. Новые изменения передаются через поколения наряду со старыми, и так в течение веков накапливается генетическое разнообразие. Многие мутации так или иначе обходятся без последствий. Но кое-какие оказываются катастрофическими, поскольку приводят к смертельным заболеваниям и уродствам. Иные бывают полезными, они помогают организмам выживать и размножаться. Передаваясь по наследству, некоторые из них становятся более распространенными, другие же, напротив, – менее. Судьба каждой мутации может зависеть от случайности, но если заметно ее влияние на количество потомства у организма, то ее шансы на успех более определенны. Накапливаясь в эволюционной линии, полезные мутации способны дать начало новым адаптациям.

В основе эволюции лежит достаточно простая логика. Более того, она настолько проста, что Чарльз Дарвин определил ее еще в середине XIX в., за много десятков лет до того, как ученые узнали о генах, не говоря уже о том, чтобы разобраться в их устройстве. Дарвину хватило того наблюдения, что в каждом поколении животных и растений присутствует изменчивость и что некоторые варианты могут наследоваться. Он предположил, что этот процесс должен благоприятствовать тем вариантам, которые полезны для выживания и обзаведения потомством; он назвал его естественным отбором.

Знаменитый естествоиспытатель смог подметить результаты эволюции на примерах современных видов. При этом он полагал, что живое эволюционирует так же, как горы растут, – в течение миллионов лет, в масштабах, недоступных человеческому наблюдению. «Мы ничего не замечаем в этих медленных переменах в развитии, пока рука времени не отметит истекших веков, да и тогда наше понимание геологического прошлого несовершенно: мы замечаем только, что современные формы жизни отличаются от когда-то существовавших»[143][144], – писал он.

Дарвин заблуждался, но это вполне простительно. Он никак не мог знать, что микробы способны продемонстрировать эволюцию в действии за считаные недели. Утром 15 февраля 1988 г. в Ирвайне, штат Калифорния, микробиолог Ричард Ленски начал исследование с бактериями, которое растянулось на десятилетия. И это был первый эксперимент, в котором стали раскрываться секреты эволюции.

Бактерии могут делиться каждые 20 мин, а это значит, что одна бактерия способна за сутки породить миллиардную популяцию. Какие-то из этого миллиарда потомков окажутся носителями новых мутаций, которые будут иметь отношение к скорости их роста и размножения. Для миллиарда птиц нужен целый континент. Для миллиарда бактерий – всего лишь колба.

Ленски задумал эксперимент, с помощью которого надеялся получить видимые эволюционные изменения. Он начал с единственной клетки кишечной палочки – бактерии Escherichia coli, которую давно приручили в микробиологических лабораториях. Вырастив из этой основательницы колонию, исследователь расселил потомство по 12 колбам. В каждой колбе содержалось ровно столько сахара, сколько нужно бактериям, чтобы прожить несколько часов. После того как запас заканчивался, им предстояло как-то дожить до следующего утра. Затем Ленски и его студенты брали немного жидкости из каждой колбы и впрыскивали ее в новые колбы. Бактерии, выдержавшие переселение, получали возможность снова кормиться сахаром и размножаться.

Чтобы проследить их историю, Ленски создал, по его собственному выражению, замороженную ископаемую летопись. Через каждые пятьсот поколений из каждой колбы брались пробы жидкости с клетками и помещались в морозилку. Впоследствии исследователь мог оживлять бактерии и сравнивать их с потомками. Когда в 1991 г. Ленски перевез свои колбы и морозильники на новое рабочее место в Мичиганском университете, 12 колоний дали уже несколько тысяч поколений. И они явно эволюционировали.

Во всех колбах потомки приобрели мутации, позволявшие им выживать в новой среде, ускоренно запасая пищу и переживая ежедневные эпизоды полного поста. Они быстрее достигали размера, необходимого для деления. Приобретая все больше полезных мутаций, они в конце концов стали расти на 75 % шустрее, чем их предки. Одновременно микробы увеличивались, став в итоге вдвое крупнее своих прародителей, – почему, Ленски и его коллегам еще предстоит выяснить. В последующие годы они определили многие мутации, возникшие в каждой из 12 линий. Удалось выяснить, что за некоторые конкретные изменения в росте в разных линиях отвечали несходные мутации. Но естественный отбор двигал все 12 линий в одном и том же общем направлении.

С тех пор через лабораторию Ленски прошли десятки студентов и аспирантов[145]. Проникнувшись теплыми чувствами к бактериям исследователя, они сами становились эволюционистами-экспериментаторами и основывали лаборатории по всем Соединенным Штатам. Одним из таких учеников был уже упоминавшийся Пол Тёрнер. Другой – Вон Купер. На научной конференции 2019 г. в Нью-Гемпшире я внимал высокому, худому Куперу, воодушевленно читавшему старшеклассникам лекцию о том, как увидеть эволюцию в действии. Он и его коллеги из Питтсбургского университета собрали специальный комплект предметов, позволяющий подросткам самим провести недельный эксперимент[146]. Тысячи школьников уже получили результаты, объявил Купер. И я подумал, что писатель в возрасте за пятьдесят вполне может последовать их примеру.

Купер согласился прислать мне такой комплект, и в один прекрасный день у меня на крыльце оказалась картонная коробка. Я вскрыл ее и посмотрел, что внутри. Там оказались чашки Петри, запечатанные пробирки, пузырьки с прозрачными жидкостями и пакетик черных и белых бусин. В чашках были какие-то пупырышки с призрачными полосками и разводами. Они издавали неприятный сладковатый запах вроде того, что исходит от кувшина сидра, простоявшего на столе несколько дней. Эти чашки оказались засеяны родственницей синегнойной палочки – бактерией Pseudomonas fluorescens[147], которая тоже обитает на растениях и в почве, но не поражает легкие больных муковисцидозом. Она достаточно безопасна для школьных опытов.

Я снова заклеил коробку скотчем и поставил ее в холодильник, надеясь, что запашок от бактерий не пристанет к продуктам. Без руководства мне все-таки было не справиться. Я жил неподалеку от Йельского университета, где вел курс литературного мастерства, и Тёрнер с Отт согласились помочь мне провести опыт.

И вот я принес коробку в лабораторию Тёрнера, помещение с высокими сводами, где сновали аспиранты, занятые центрифугированием пробирок, размазыванием микробов по предметным стеклам и наклеиванием ярлычков на крышки. Я поставил коробку на место, которое расчистила Отт рядом со своим. Она велела мне надеть серые перчатки и белый халат. Когда мы вынули из коробки чашки, с ними вытянулся и запах.

«Псевдомонада, – простонала Отт, словно встретила старого врага. – Если случается работать с ней в неподходящий момент, она меня до мигрени может довести. Приходится отрываться на несколько минут, отсиживаться на диванчике и пить чай, чтобы мозги снова заработали».

Перед приходом в лабораторию я просмотрел онлайн-курс по основам техники безопасности: как промывать глаза, как удалять пролитые жидкости и пр. Но сейчас, работая с Отт, я ощущал себя курсантом гигиенического военного