Книга: Эволюция: Неопровержимые доказательства

Эволюция в пробирке

Эволюция в пробирке

Можно пойти дальше. Вместо селекционеров, которые выводят варианты, которые нам нравятся, тому же процессу можно позволить «естественно» развиваться в лаборатории, подвергая популяцию в неволе воздействию новых экологических факторов. Легче всего проделать это с такими микроорганизмами, как бактерии, которые способны делиться очень часто, каждые двадцать минут, тем самым позволяя нам наблюдать эволюционные изменения через тысячи поколений в режиме реального времени. И это будут подлинные эволюционные изменения, в которых проявляются все три условия эволюции путем отбора: изменчивость, наследственность и естественный отбор. Хотя экологические факторы в данном случае создаются человеком, такие эксперименты ближе к природе, чем искусственный отбор, потому что человек не выбирает, какие особи будут размножаться.

Давайте начнем с простых адаптаций. Микробы умеют адаптироваться практически к любым воздействиям, которым ученые подвергают их в лабораторных условиях: высокой или низкой температуре, антибиотикам, токсинам, голоду, новым питательным веществам, а также к своим природным врагам, вирусам. Наверно, самое длительное исследование такого типа было проведено Ричардом Ленски в Университете штата Мичиган. В 1988 г. Ленски взял генетические идентичные штаммы обычной бактерии – кишечной палочки (E. coli) – и поместил в условия, в которых их пищу, сахарную глюкозу, каждый день урезали, а затем на следующий день восстанавливали ее прежнее количество. Следовательно, этот эксперимент был тестом на то, способен ли микроб приспособиться к условиям, когда изобилие пищи чередуется с ее нехваткой – «то густо, то пусто». На протяжении следующих 18 лет (а это 40 000 поколений бактерий) бактерия продолжала накапливать новые мутации, адаптируясь к этим новым условиям. Теперь, в условиях неравномерного питания, бактерия размножается на 70 % быстрее, чем изначальный штамм, не подвергавшийся селекции. Кишечная палочка продолжает эволюционировать, и Ленски вместе с коллегами идентифицировали по меньшей мере девять генов, мутации в которых привели к возникновению адаптаций.

Но адаптации в лабораторных условиях бывают и более сложными – вплоть до эволюции целых новых биохимических систем. Возможно, крайней мерой воздействия и испытания было бы просто убрать ген, который нужен микробу, чтобы выжить в определенной окружающей среде, и посмотреть, как микроб отреагирует. Сможет ли он эволюционным путем справиться с этой задачей? Ответ обычно положительный. В ходе подобного впечатляющего эксперимента Барри Холл и его коллеги в Рочестерском университете начали исследование с того, что удалили у E. coli ген. Этот ген вырабатывает фермент, который позволяет бактерии расщеплять дисахарид лактозу на простые сахара, которые могут быть использованы в пищу. Бактерия, лишенная этого гена, была затем помещена в среду, где единственным источником пищи была лактоза. Конечно, изначально у бактерии не было нужного фермента, и она не могла расти. Но через небольшое время функцию изъятого гена взял на себя ген, производящий другой фермент, который раньше не умел расщеплять лактозу, а теперь в слабой степени начал это делать благодаря новой мутации. В конечном итоге произошла еще одна адаптивная мутация, которая увеличила количество нового фермента, так что теперь бактерия могла потреблять еще больше лактозы. Наконец, произошла и третья мутация: мутировал другой ген, что позволило бактерии с большей легкостью добывать лактозу из окружающей среды. В совокупности этот эксперимент показал эволюцию сложного метаболического пути, который позволил бактерии расти и размножаться, питаясь веществом, ранее непригодным в пищу. Эксперимент этот не только доказывает эволюцию, но и преподносит два важных урока. Во-первых, несмотря на утверждения креационистов, что подобное невозможно, естественный отбор может способствовать эволюции сложных систем сопряженных биохимических реакций, все части которых взаимозависимы. Во-вторых, как мы неоднократно убеждались, отбор не создает новых черт с нуля и из ниоткуда, а порождает «новые» адаптации, модифицируя черты, существовавшие ранее.

Мы можем даже наблюдать появление новых, экологически различающихся видов бактерий, и все это в пределах одной лабораторной колбы. Пол Рейни и его коллеги в Оклендском университете поместили штамм бактерии флуоресцирующей псевдомонады (Pseudomonas fluorescens) в небольшой сосуд с питательной жидкой средой и просто наблюдали, что будет. (Удивительно, но факт: такой сосуд на самом деле содержит разные среды обитания. Например, концентрация кислорода выше всего в верхней части колбы и ниже всего на дне). За десять дней – а для бактерий это больше нескольких сотен поколений – свободно плававшая «гладкая морфа» (форма) бактерии эволюционировала и дала две дополнительные формы, которые заняли разные части колбы. Одна, которую назвали морщинистая морфа, сформировала слой в верхней части питательной среды. Вторая, ворсистая морфа, создала подстилку на дне. Предковая форма – гладкая бактерия – продолжала оставаться в жидкой питательной среде в середине колбы. Каждая из двух новых форм генетически отличалась от предковой; обе развились путем мутаций и естественного отбора так, чтобы наилучшим образом размножаться в своей среде обитания. Здесь мы видим, как в лабораторных условиях разворачивается не только эволюция, но и происходит видообразование: предковая форма произвела двух экологически отличающихся потомков и сосуществует с ними, а у бактерий такие формы считаются отдельными видами. За очень короткий период времени естественный отбор псевдомонады привел к «адаптивной радиации» в малом масштабе – аналогу того, как животные и растения создают новые виды, когда сталкиваются с новой средой обитания на океаническом острове.