Книга: Вселенная

Глава 33 Самонастройка эволюции

Глава 33

Самонастройка эволюции

В 1988 году у Ричарда Ленски появилась блестящая идея: он собрался превратить эволюционную биологию в экспериментальную науку.

Эволюция — это идея, служащая мостиком между абиогенезом и великой мистерией жизни, разворачивающейся на Земле сегодня. Вне всяких сомнений, это наука; биологи-эволюционисты формулируют гипотезы, определяют вероятность тех или иных результатов при конкурирующих гипотезах, собирают данные, позволяющие уточнить субъективную вероятность каждой из этих гипотез. Однако у химиков и биологов есть одно преимущество над эволюционистами и, если уж на то пошло, над астрономами: они могут многократно ставить интересующие их эксперименты в лаборатории. Было бы очень сложно спроектировать такой лабораторный эксперимент, который показал бы дарвиновскую эволюцию в действии, как было бы не менее сложно создать новую Вселенную.

Тем не менее нельзя утверждать, что это невозможно (как минимум в случае эволюции; мы всё ещё не умеем создавать вселенные). Именно этим и решил заняться Ленски.

Его исходный проект был — и есть, поскольку эксперимент по-прежнему продолжается, — очень прост. Он взял двенадцать пробирок с питательной средой; это была жидкость с конкретным набором химических соединений, в том числе с дозами сахара в качестве источника энергии. В каждую пробирку он ввёл одинаковые популяции E. coli. Каждый день количество клеток в пробирке возрастает от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов. Один процент выживших бактерий извлекается из пробирки и распределяется по новым пробиркам с такой же питательной средой, как и ранее. От оставшихся бактерий обычно избавляются, хотя время от времени образец замораживается для контроля — так создаётся экспериментальная «палеонтологическая летопись». (В отличие от людей, бактерии легко замораживаются, а позже оживляются — современные технологии это позволяют.) Общий рост популяции составляет примерно шесть с половиной поколений в день; ограничивающим фактором является не время, а объём питательных веществ (между делениями клетки проходит менее часа). По состоянию на конец 2015 года имелось уже более 60 000 поколений бактерий — достаточно, чтобы с ним успели произойти некоторые интересные эволюционные изменения.

Бактерии, заключённые в такую исключительно специфическую и стабильную среду, уже успели довольно хорошо к ней приспособиться. Они стали вдвое крупнее, чем особи из исходной популяции, размножаются гораздо быстрее, чем когда-либо ранее. Они отлично освоили метаболизм глюкозы, но в целом стали хуже себя чувствовать в более разнообразных питательных средах.

Наиболее впечатляет, что с E. coli произошли не только количественные, но и качественные изменения. Среди ингредиентов исходной питательной среды был цитрат, состоящий из атомов углерода, водорода и кислорода. Первые бактерии не могли потреблять это соединение. Но примерно через 31 000 поколений Ленски и его сотрудники заметили, что популяция в одной из пробирок стала расти гораздо быстрее, чем в других. Внимательно её изучив, учёные обнаружили, что некоторые бактерии из этой популяции приспособились перерабатывать не только глюкозу, но и цитрат.

Цитрат — не такой хороший источник энергии, как глюкоза. Однако если вы — бактерия, живущая в пробирке, кишащей другими бактериями, которые конкурируют с вами за ограниченный объём глюкозы, то возможность прокормиться другим питательным веществом пришлась бы очень кстати. Без всякой заранее определённой цели, без какой-либо подсказки или инструкции извне эволюция нашла разумное новое решение, обеспечившее расцвет одного организма в данной конкретной среде.

* * *

Происхождение жизни было причиной всех фазовых переходов. Жизнь развивается подобно другим химическим реакциям и их сочетаниям: преобразует свободную энергию в неорганизованную. Особенный аспект, выделяющий жизнь среди других химических реакций, заключается в том, что жизнь передаётся вместе с набором инструкций. Подобно ленте в универсальном конструкторе фон Неймана генетическая информация, содержащаяся в ДНК, регулирует и направляет взаимосвязанный танец реакций, составляющих суть живого организма. При передаче от поколения к поколению эти инструкции могут меняться. Именно эта возможность порождает естественный отбор.

Мы говорили о том, что ДНК могла развиться из РНК, которая, в свою очередь, катализировала процесс собственного воспроизводства в подходящих условиях. Возможно, что в критических точках на пути к возникновению РНК происходили случайные флуктуации. Больцман учил, что энтропия обычно возрастает, но всегда существует вероятность, что она уменьшится. Чем больше динамических элементов в системе, тем реже будут случаться подобные флуктуации; в любом макроскопическом процессе участвует такое множество атомов, что данную возможность можно игнорировать. Тем не менее на уровне отдельных молекул эти редкие флуктуации довольно обычны и поэтому играют важную роль. Возможно, возникновение самовоспроизводящейся молекулы РНК было простым стечением обстоятельств.

Иногда естественный отбор воспринимается как «выживание сильнейших». Но ещё до начала дарвиновской эволюции как таковой уже шла конкуренция за доступную свободную энергию. Часть энергии добывалась легко, однако, чтобы получить другую её часть — подобно той энергии, что была связана в цитрате в бактериальных культурах у Ричарда Ленски, — требовалась определённая изобретательность. Хитросплетения реакций, направляемых белками, которые, в свою очередь, были синтезированы с участием нуклеотидных последовательностей РНК, вполне могли поддерживаться в таких условиях, где более простые процессы затухали. Как только к делу подключилась наследуемая генетическая информация, собрались воедино все компоненты, необходимые для естественного отбора.

* * *

С определённой точки зрения теория Дарвина кажется настолько логичной, что её появление представляется почти неизбежным. Впервые прочитав книгу «О происхождении видов» Томас Генри Гексли, современник и убеждённый сторонник Дарвина, воскликнул: «Как исключительно глупо было до этого не додуматься!». Однако естественный отбор — очень специфический процесс, который никак не назовёшь ни неизбежным, ни очевидным. Он не сводится к тому, что «вид постепенно эволюционирует со временем» или «хорошо приспособленные организмы имеют больше шансов оставить потомство».

Организмы размножаются и передают генетическую информацию следующему поколению. Эта информация в целом стабильна — дети похожи на родителей, — но не незыблема. На каждом этапе возможны мелкие случайные изменения. Эти изменения не направлены на достижение какой-либо перспективной цели, причём отдельные особи никак не смогут повлиять на них своими действиями (ваши дети не станут более мускулистыми лишь потому, что вы качаете мышцы). Если при наследовании мы получили некое малозаметное случайное изменение генетической информации, которое может повлиять на размножение, то здесь может сработать естественный отбор. К счастью, изменения, способствующие совершенствованию организма, имеют больше шансов на передачу генетического материала, чем нейтральные или пагубные изменения.

Все эти детали нельзя принимать как должное. Вот почему биологи подчёркивают разницу между «эволюцией» и «естественным отбором». В ходе эволюции со временем изменяется геном (вся совокупность генетической информации); естественный отбор является частным случаем эволюции, при котором изменения в геноме зависят от степени репродуктивного успеха.

Дарвин ничего не знал ни о ДНК, ни о РНК, ни даже о генах — отдельных единицах наследственной информации. Основные правила наследственности сформулировал монах-августинец Грегор Мендель, поставивший ряд знаменитых экспериментов с различными сортами гороха. В 1930–1940-е годы биологи разработали современный эволюционный синтез — теорию, объединившую естественный отбор и менделевскую генетику. Эта парадигма продолжает уточняться по мере того, как мы всё больше узнаём о биологии и наследовании, но общая картина в данном случае остаётся крайне успешной.

Неудивительно, что биологическая реальность здесь, на Земле, оказалась сложнее, чем простейшая формулировка естественного отбора. Как и многие способы рассуждения о мире, теория Дарвина работает только в своей области применения.

В истории жизни участвуют не только организмы, приспосабливающиеся к окружающей среде, но и другие факторы. Это отлично согласуется с дарвиновской концепцией. Дарвиновский отбор происходит, но он идёт на фоне хаоса, присущего реальному миру; при этом наряду с естественным отбором происходят другие процессы. Многие признаки в геноме любого вида возникают случайно, а не в результате той или иной адаптации. Это явление называется «дрейф генов». Иногда возникают мутации, никак не влияющие на приспособленность организма; в других ситуациях случайность, присущая половому размножению или обусловленная непредсказуемыми свойствами окружающей среды, может привести к тому, что некоторые признаки становятся обычными, а другие отмирают. Биологи спорят об относительной важности адаптации и генетического дрейфа, но практически нет сомнений, что оба фактора важны.

В долгосрочном эволюционном эксперименте Ленски та мутация, которая позволила некоторым бактериям метаболизировать цитрат, произошла примерно через 31 000 поколений. Когда исследователи разморозили особей из более ранних поколений и проверили, разовьётся ли у них эта способность вновь, оказалось, что да, но только у клеток после 20 000 поколений или позже. Примерно в 20 000 поколений возникли одна или несколько мутаций, которые сами по себе не позволяли бактериям метаболизировать цитрат, но подготовили почву для того, чтобы такая способность появилась после более поздней мутации. Единственный признак может сформироваться под действием множества отдельных мутаций, которые сами по себе не окажут какого-либо заметного влияния.

Давление отбора воздействует на признаки, тогда как генетическая информация передаётся через ДНК, и соотношение между первым и вторым механизмом не такое простое. Даже такой простой признак, как высокорослость, не будет зафиксирован в конкретной последовательности нуклеотидов, а будет зависеть от взаимосвязи множества различных факторов, действующих одновременно. В результате давление отбора, действующее на один признак, может затронуть другой, если эти признаки кодируются общими множествами последовательностей ДНК. История эволюции изобилует «надстройками» — эту метафору активно подчёркивали биологи Стивен Джей Гулд и Ричард Левонтин. Это признаки, возникающие по одной причине, но в итоге используемые для совершенно иной цели. Это побочные продукты эволюции, а не аспекты, на которые непосредственно направлен естественный отбор. Гулд и Левонтин предположили, что к этой категории относятся многие свойства человеческого мозга.

Более того, наследование порой нельзя свести к простой передаче ДНК от одного поколения к следующему. Существует горизонтальный перенос генов, при котором гены передаются от одной особи к другой не через размножение, а иным образом. Такое явление относительно обычно у бактерий и иногда происходит у многоклеточных видов. Есть эпигенетические феномены, при которых химическое строение унаследованной ДНК изменяется при развитии организма под действием таких факторов, как питание, либо под влиянием условий в материнской утробе, в которых развивается эмбрион. В настоящее время неясно, в какой степени могут наследоваться подобные изменения, но, будучи унаследованными, они поддаются обычному воздействию естественного отбора.

Итак, в реальном мире царит чудная кутерьма. Может ли такой неориентированный механизм — какой и должен был сформироваться во Вселенной, управляемой безликими законами и жестко зависящей от стрелы времени, — достаточно хорошо описать всю впечатляющую замысловатость биосферы на нашей планете? «Есть величие в этом воззрении», — пишет Дарвин в «Происхождении видов». Но на самом ли деле такого простого механизма достаточно, чтобы дельфины, бабочки и тропические леса могли образоваться из жалкой горстки органических молекул, конкурирующих за свободную энергию? Могут ли чудеса эффективности и изобретательности, характерные для живых организмов, действительно возникнуть из случайных изменений за достаточно долгий срок? (Подскажу: да.)