Микрокосм: E. coli и новая наука о жизни Циммер Карл

Человеческий кракатау

26 АВГУСТА 1883 Г. родился новый маленький мир. Островной вулкан Кракатау, расположенный в Зондском проливе между Явой и Суматрой, выбросил в воздух на 20 миль в высоту столб дыма и пепла. Камни превратились в пар, который с ревом мчался по проливу со скоростью едва ли не 500 км/ч. После извержения на месте, где находился конус вулкана, осталась подводная впадина и несколько безжизненных островков. Натуралист, посетивший один из островов девять месяцев спустя, написал, что единственным живым существом, которое ему удалось обнаружить на острове, был крохотный паучок.

Новые острова Кракатау лежат в сорока с лишним километрах от ближайшей суши, и жизни потребовался не один год, чтобы перебраться через водную преграду и вновь освоить эти земли. Сначала поверхность вулканического пепла затянула пленка сине — зеленых водорослей. Появились лишайники, мхи и папоротники. К концу XIX в. на островах образовалась саванна. Помимо пауков появились жуки, бабочки и даже вараны. Представители одних видов приплыли на острова, другие прилетели, а некоторых просто принесло ветром.

Биологические виды осваивались на островах вовсе не беспорядочно. Сначала появлялись выносливые первопроходцы, которые затем заменялись другими биологическими видами. Постепенно саванна уступила место лесам. Выросли кокосовые пальмы и фиговые деревья. После этого на острова уже могли переселяться орхидеи, инжирные наездники и другие привередливые виды. Первопоселенцы, такие как полосатая горлица, больше не находили себе места в пищевой цепи и в конце концов исчезли. Даже сегодня, 120 лет спустя после извержения, освоение Кракатау еще не закончилась. В будущем эта земля, возможно, будет готова принять бамбук, который произведет в ее экосистеме очередную революцию.

История Кракатау вполне соответствует общим экологическим правилам, которым жизнь следует везде, где появляются новые места обитания. Вулканические извержения опустошают острова. Оползни очищают от жизни горные склоны. Ледники тают, изменяя при этом береговую линию.

И рождаются дети. Для бактерий новорожденный ребенок — это настоящий Кракатау, ждущий своих колонизаторов. В момент рождения его тело почти полностью свободно от микроорганизмов, но в первые же несколько дней его заселяют E. coli и другие виды бактерий. Они образуют новую экосистему, которая будет жить и взрослеть вместе с ребенком, сопровождая человека на протяжении всей его жизни. Она также развивается во времени согласно собственным экологическим принципам.

Вообще, жизнь E. coli намного сложнее, чем то, что мы видим в чашке Петри. Беззаботное существование в лаборатории не предъявляет к бактерии почти никаких требований. По результатам исследований из 4288 генов, которые ученым удалось идентифицировать у E. coli К-12, лишь 303 действительно необходимы бактерии для жизни в лаборатории. Это не означает, однако, что остальные 3985 генов совершенно бесполезны. Все они помогают E. coli отстоять свои позиции в густонаселенной экосистеме человеческого кишечника, где за пищу конкурируют тысячи видов бактерий.

Исследователь, изучающий кишечную палочку в пробирке, может попросту не заметить некоторые главнейшие стратегии, при помощи которых этот микроорганизм выживает в реальном мире. Хотя E. coli изучают уже больше ста лет, только в последние годы ученые начали понимать, насколько это общественное существо. Чтобы выжить, E. coli нередко приходится работать коллективно. Бактерии общаются между собой и сотрудничают. Миллиарды их объединяют усилия на строительстве огромных микробных городов и вместе сражаются с врагами.

В реальном мире не существует одного универсального способа быть кишечной палочкой. E. coli К-12 — всего лишь один из множества штаммов, которые живут внутри теплокровных животных, и стратегий выживания у них множество. Одни всего лишь пасутся в кишечнике и совершенно безобидны. Другие защищают нас от инфекций. Третьи убивают в год не по одному миллиону человек. Знакомиться с E. coli через один только штамм К-12 — все равно что знакомиться с семейством Canidae (собачьи) исключительно на примере шпица, мирно дремлющего на шелковой подушечке. Вне поля зрения при этом окажутся и динго, и большеухая лисица, и рыжий волк, и чепрачный шакал.

В поисках дома

E. coli по природе своей первопроходец. Задолго до того, как большинство других бактерий устроилось в человеке — хозяине, E. coli уже основала там жизнеспособную колонию. E. coli способна инфицировать младенца уже в процессе родов, воспользовавшись пальцами врача, или перебраться на младенца с матери во время кормления. На волнах перистальтики она добирается до желудка, где ей приходится выдержать кислотную ванну. Ионы водорода (протоны) из соляной кислоты желудочного сока просачиваются внутрь бактерии, но E. coli встраивает в мембрану дополнительные насосы, которые успешно выбрасывают большую часть пришельцев наружу. Следует отметить, что в желудке E. coli не пытается вести себя как нормальная бактерия; вместо этого она входит в физиологическое состояние, которое один ученый определил как «состояние дзен». Бактерия полностью прекращает производство каких бы то ни было белков, за исключением тех, что нужны ей для защиты от кислоты.

После двух часов в состоянии этого кислотного дзена E. coli выводится из желудка и попадает в кишечник. Ее насосы при этом продолжают выводить наружу лишние протоны, пока внутренняя часть микроба вновь не обретет нормальный отрицательный заряд. Биологические аккумуляторы снова становятся работоспособными, и теперь бактерия может начать производство новых белков и исправить старые. Она возвращается к обычным повседневным делам — по существу, к жизни. Однако до нового дома бактерии еще далеко. Сначала кишечная палочка должна пройти по тонкому кишечнику и выйти в толстую кишку. Конечно, длина маршрута здесь составляет всего лишь около 10 м, но она примерно в 7 млн раз превосходит длину путешественника — E. coli. Если человек нырнет в волны в Лос — Анджелесе и проплывет 7 млн длин собственного тела, позади его останется весь Тихий океан.

Пока бактерия дрейфует по человеческому кишечнику, ее нитевидные выросты — фимбрии цепляются за стенки. Слабого движения пищи оказывается достаточно, чтобы отцепить фимбрии, и бактерия продолжает потихоньку продвигаться вперед. Но, если поток обретает силу, фимбрии начинают упрямо цепляться за стенку. Случайно или нет, но кишечная палочка останавливается точно в том месте толстой кишки, которое ей лучше всего подходит, — там, где поток пищи движется на полной скорости. Под действием тепла E. coli запускает производство белков, которые можно использовать для захвата железа, расщепления сахаров и синтеза других белков из аминокислот. Она начинает питаться и прекрасно себя чувствует, по крайней мере первые несколько дней.

Питаясь и размножаясь, бактерия готовит почву для собственного краха. Истратив значительную часть присутствующего в кишечнике кислорода и выделяя углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности, она изменяет химический состав окружающей среды. Фактически она создает новую среду обитания, пригодную для других видов микроорганизмов, которые постепенно проникают туда и занимают доминирующее положение. Экосистема, в создании которой участвует E. coli, великолепна. Ее население может достигать ста триллионов особей, что в десять раз превосходит по числу клеток наше собственное тело. По оценкам ученых, в кишечнике одного человека может сосуществовать до тысячи видов микроорганизмов; это означает, что если составить полный список всех генов, которые можно обнаружить в организме человека, то большинство их окажется нечеловеческими.

По мере того как численность других видов микроорганизмов увеличивается, E. coli отступает; в конечном итоге ее доля в бактериальном населении кишечника снижается примерно до одной десятой процента. E. coli становится законной добычей вирусов и хищных простейших, а за пищу ей приходится конкурировать с бактериями других видов. По мере того как человек — носитель взрослеет и переходит с молока на другую пищу, его кишечник наполняется крахмалами и другими сложными сахарами, которые E. coli просто не умеет расщеплять. Представьте, что вы приходите в ресторан и усаживаетесь за столик в ожидании вкусного обеда, а официант неожиданно заменяет ваш шоколадный мусс на миску сена. E. coli теперь приходится ждать, пока бактерии других видов расщепят молекулы сложных сахаров, и питаться отходами их жизнедеятельности.

Не исключено, что, питаясь отходами, E. coli оказывает ответную услугу тем, кто ее этими отходами обеспечивает. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что утилизация простых сахаров, которой занимается кишечная палочка, позволяет другим микробам быстрее расщеплять молекулы сложных сахаров. Кроме того, E. coli продолжает улавливать кислород — то небольшое его количество, которое время от времени накапливается в кишечнике. Удерживая содержание кислорода на стабильно низком уровне, E. coli обеспечивает большинству представителей нормальной микрофлоры комфортные условия. Именно эту экологическую нишу колонии E. coli занимают в организме хозяина в течение всей его дальнейшей жизни. В любой момент в кишечнике человека можно обнаружить до 30 штаммов этой бактерии. Люди, полностью свободные от E. coli, встречаются очень редко.

В этом, кстати говоря, мы тоже похожи на E. coli: человек, как и кишечная палочка, зависит от внутренних бактериальных джунглей. Нам необходимы бактерии, которые производят ферменты для расщепления многих углеводов, входящих в состав нашей пищи. Кроме того, наши жильцы — бактерии синтезируют некоторые необходимые нам витамины и аминокислоты и помогают контролировать количество поступающих из пищи калорий. Изменение бактериальной флоры кишечника может привести к изменению массы тела. Но этого мало. Обитатели кишечника охраняют человека от болезней, поэтому врачи дают недоношенным детям специальные штаммы E. coli. Бактерии защищают кишечник: выпускают в него химические вещества, отпугивающие патогенные микроорганизмы, а также создают в кишечнике устойчивую экосистему, в которую патогены просто не в состоянии внедриться.

На самом деле трудно сказать, где заканчивается работа кишечной микрофлоры и начинается наша собственная иммунная система. Ясно одно: бактерии помогают иммунной системе человека поддерживать тонкое равновесие, когда нужно убивать патогенные микроорганизмы, а ткани собственного организма трогать нельзя. Исследования показывают, что некоторые штаммы E. coli способны остудить боевую ярость иммунных клеток. Судя по всему, достаточная доза E. coli помогает справиться не только с патогенными микроорганизмами, но и с аутоиммунными заболеваниями, такими как колит. Некоторые ученые утверждают, что наша иммунная система в ответ стимулирует бактерии к размножению и формированию толстых защитных скоплений на внутренних стенках кишечника. Эти скопления не только препятствуют внешним агрессорам, но и не позволяют отдельным бактериям проникать в слизистую оболочку кишечника. С точки зрения здравого смысла все это биохимическое рвение вполне объяснимо: в конце концов, мы и E. coli — члены одного и того же коллектива.

Совместная жизнь

В 2003 г. Джеффри Сток и его коллеги по Принстонскому университету поместили E. coli в лабиринт. В прямоугольном лабиринте со стороной меньше четверти миллиметра были пластиковые стены и стеклянная крыша. Ученые погрузили лабиринт в воду, а затем впрыснули во входное отверстие E. coli. Бактерии принялись вращать жгутиками и плавать. Предварительно команда Стока добавила каждой особи ген, отвечающий за светящийся белок, так что ученые имели возможность отслеживать скитания микроорганизмов по лабиринту.

Поначалу бактерии, судя по всему, плавали случайным образом. Постепенно, однако, они собрались группами и начали плавать стайками. Одни стайки заплывали в тупик и оставались там; судя по всему, их эта ситуация устраивала. Другие бактерии плыли следом, и через два часа тупик целиком наполнился массой светящихся бактерий.

Чтобы определить, как бактерии находят друг друга, принстонские ученые запустили в лабиринт мутантов. Выяснилось, что E. coli способна собираться стаями до тех пор, пока действует ее бактериальный «язычок». Похоже, что ориентируется она по вкусу одной из аминокислот — серина. Дело в том, что при нормальном ходе обмена веществ E. coli вместе с другими отходами выбрасывает и серин. Ученые с 1960–х гг. знали о любви E. coli к серину, но списывали ее на поиск пищи. Теперь же объединение E. coli в группу в лабиринте подсказывает нам другую возможность. Что если «язычок» E. coli настроен на поиск других представителей ее собственного вида?

Не так давно E. coli и другие бактерии считались индивидуалистами. В конце концов, думали ученые, у кишечной палочки нет того, что лучше любого клея скрепляет сообщества, — средства общения. E. coli не способна написать соседке е — мейл, огласить на рассвете пустыню громким пением или распустить перед самочкой хвостовые перья. Оказалось, однако, что у E. coli тоже есть своего рода язык; мало того, у нее есть и своего рода общество.

Общественная жизнь E. coli долгие десятилетия оставалась за кадром, потому что биологов в основном интересовали более фундаментальные сведения о жизни E. coli: как она питается, растет и размножается. Методика, при помощи которой можно заставить E. coli делать и то, и другое, и третье как можно быстрее, была отработана и доведена до совершенства. Комфортная жизнь в тепле, при достаточном количестве кислорода и избытке пищи стимулирует отдельных бактерий к быстрому размножению. Такая жизнь, однако, мало чем напоминает нормальный образ жизни E. coli. Хотя человек съедает за свою жизнь около 60 т пищи, E. coli нередко приходится голодать по нескольку часов, а то и суток. Когда же появляется шанс поесть, нередко случается, что из еды вокруг только молекулы какогонибудь низкоэнергетического сахара, которые и расщеплятьто почти бесполезно — энергии при этом извлекается ненамного больше, чем тратится. Вдобавок приходится конкурировать за каждую молекулу с другими микробами. Одновременно с этим E. coli должна противостоять атакам вирусов и хищников, а также новым, исходящим от человека опасностям, таким как антибиотики. Хозяин может заболеть, и тогда вся среда обитания бактерии подвергается разрушению. Один из лучших способов противостоять всевозможным катастрофам — объединить силы с другими E. coli

Биопленка E. coli

Собравшись вместе, бактерии могут сделать многое. Так, в некоторых условиях группа E. coli образует жгутики нового типа, гораздо более длинные, чем обычные. Новые жгутики соединяются между собой, связывая миллионы бактерий в единую бурлящую массу. Вместо того чтобы плыть кудато, они толпятся на поверхности и выпускают наружу молекулы, которые покрывают воду и создают на ее поверхности слизистую пленку. Такое роение на поверхности позволяет скоплению E. coli скользить по чашке Петри или, как подозревают ученые, по стенке кишечника.

В других случаях E. coli предпочитает осесть на месте и строит себе бактериальный город. О том, что бактерии способны образовывать мутный налет на стенках сосудов — так называемую биопленку, было известно давно. Поначалу биопленки просто раздражали ученых, не давая рассмотреть отдельно плавающие бактерии, ради исследования которых, собственно, и ставились эксперименты. Но более подробное исследование показало, что биопленка имеет весьма сложную структуру. Все бактерии способны формировать биопленки, и ученые полагают, что подавляющее большинство бактерий значительную часть жизни проводит именно в них. Биопленки образуют слизистый налет на стенке нашего кишечника, на речном и океанском дне и даже на дне пропитанных кислотами шахт по добыче руды.

Конечно, биопленок вокруг сколько угодно, но изучать их непросто. Для этого ученым пришлось отставить в сторону любимые колбы и чашки Петри и придумать совершенно новые методики экспериментов. Например, сделали специальные камеры с теплой проточной водой, имитирующие условия человеческого кишечника. При определенных условиях E. coli готова осесть гденибудь внутри камеры и начать сооружение биопленки. Дрейфуя по экспериментальной камере, часть бактерий оседает на дне. В обычных условиях они быстро отцепляются и плывут дальше, но иногда остаются на месте и устраиваются там жить. Некоторые эксперименты позволяют предположить, что решение об этом E. coli принимает в том случае, если поблизости обнаруживаются другие особи. E. coli чувствуют своих собратьев по испускаемым ими химическим сигналам, причем используют для этого не только серин и другие отходы, но и особые молекулы, которые выполняют именно сигнальную функцию и могут при случае изменить поведение других E. coli.

Когда группа E. coli приступает к формированию биопленки, бактерии начинают с того, что образуют выросты — фимбрии, которые связывают их между собой и стягивают в единый плотный кластер. К первопоселенцам присоединяются другие, ранее свободно плавающие бактерии, и кластер постепенно растет. Бактерии начинают выделять внеклеточные полимерные вещества, заключая себя в так называемый матрикс. Сформировавшаяся биопленка вовсе не плоская. Она больше похожа на город с высокими башнями, широкими площадями и целой паутиной спутанных улиц. В процессе его строительства каждая бактерия должна включать и выключать сотни генов по сложной согласованной схеме. В некоторых отношениях биопленка E. coli напоминает человеческое тело. Конечно, биопленка не имеет обыкновения вставать на ноги и бродить по улицам, но, подобно человеческим клеткам, клетки биопленки тоже образуют клеточные коллективы, члены которых выполняют разные функции и вместе работают ради общего выживания.

Ученые до сих пор не разобрались, для чего, собственно, E. coli сооружает биопленки, прикладывая значительные усилия. Чтобы участвовать в общем деле, отдельной бакерии приходится многим жертвовать и тратить огромную часть драгоценной энергии на производство внеклеточного полимерного вещества, которое соединяет его с другими микроорганизмами. Бактериям, оказавшимся глубоко в толще биопленки, намного труднее добывать пищу, чем свободно плавающим особям. Не исключено, однако, что преимущества биопленки перевешивают все ее недостатки. Так, биопленка может обеспечивать своих обитателей защитой. Она выдерживает резкие изменения окружающей среды. Вирусам, вероятно, сложнее проникнуть в биопленку, чем инфицировать отдельно живущую клетку. Антибиотики действуют на биопленки в тысячи раз слабее, чем на отдельные бактерии.

Возможно, биопленка позволяет бактериям объединить усилия в добывании пищи. Не исключено, что питательные вещества, попадая в плотную слизь биопленки, направляются затем по внутренним каналам к бактериям, лишенным выхода на поверхность. Кроме того, бактерии в биопленке могут сотрудничать через разделение труда. Микробы, живущие на поверхности, получают больше пищи и кислорода, чем обитатели внутренней части. При этом, однако, на них действует большее количество стрессовых факторов. E. coli, обосновавшиеся в основании биопленки, могут погружаться в состояние анабиоза, образуя чтото вроде бактериального семенного фонда. Время от времени часть бактерий может отделиться от биопленки и уплыть прочь; какоето время они ведут свободную жизнь, а потом вновь обосновываются на стенке кишечника и строят новую биопленку.

Человек — самый общественный из всех биологических видов — прибегает к сотрудничеству не только при строительстве городов и ради помощи другим людям. Война с соседями тоже требует от народа серьезных согласованных усилий. В этом опять же жизнь E. coli отражает нашу социальную жизнь. Мы строим боевые ракеты и бомбы. E. coli производит химическое оружие. Химические соединения под названием колицины смертоносны для микроорганизмов. Одни из них протыкают мембрану бактерии, как копьем, и выпускают наружу ее внутренности. Другие блокируют производство новых белков. Третьи разрушают ДНК.

Чтобы инициировать колициновую атаку, некоторые бактерии E. coli должны пожертвовать самым главным. Небольшая часть бактерий популяции за несколько секунд синтезирует и накапливает внутри себя сотни тысяч молекул колицина, превращаясь таким образом в настоящие склады оружия. У этих бактерий нет каналов, через которые они могли бы аккуратно выпустить подготовленные колицины наружу. Вместо этого они начинают производить особые самоубийственные ферменты, которые просто взрезают изнутри мембрану бактерии, вызывая взрыв. Колицины выплескиваются наружу, сталкиваясь с соседними бактериями. Однако близким родичам производителя колицины не страшны, потому что у них имеются гены, с помощью которых можно изготовить противоядие. Жертвуя собой, E. coli уничтожают конкурентов и расчищают пространство для жизни и успешного размножения своих клонов. Судя по всему, общественная жизнь E. coli простирается за пределы жизни как таковой.

Прощай, хозяин

Если какойто штамм E. coli обосновался в кишечнике человека, он может обитать там десятилетиями. Однако бактерии могут и покидать своих хозяев путем настолько очевидным, что говорить о нем подробно нет никакой необходимости. Достаточно сказать, что каждый день человечество всего мира выпускает в окружающую среду более миллиарда триллионов особей E. coli. Кроме того, бессчетное количество этих бактерий выпускают на волю другие млекопитающие и птицы. Микроорганизмы уносятся прочь по трубам канализации и руслам ручьев и рек, высеваются на поверхность земли и морей. Им предстоит противостоять зимней и летней погоде, засухам и наводнениям, влачить голодное существование без привычной роскошной диеты из полупереваренного сахара. Возможно, долгое время им придется выживать вообще без пищи. В почве и воде множество хищников, которые только и ждут возможности съесть E. coli: среди них и черви — нематоды, и медленно перетекающие с места на место амебы. Некоторые хищники берут размером и массой. Другие, такие как бактерия Bdellovibrio, проникают в периплазму E. coli и разрушают бактерию изнутри. Еще один вид бактерий — Myxococcus xanthus — вырабатывает химическое вещество, которое Е. coli воспринимает как аромат пищи. Почуяв его, бактерия- неудачник сама плывет навстречу гибели.

Вероятно, для большинства E. coli покинуть хозяина — значит найти быстрый путь к смерти. Но жизнь способна играть даже с очень слабыми шансами на победу. Дуб буквально усеивает землю под собой желудями, из которых редко кому удается выжить и прорасти. Человеческое тело состоит из триллионов клеток, из которых лишь несколько переживет смерть организма и даст начало потомкам. Если хотя бы крохотная часть E. coli в дикой природе выживет и сумеет отыскать себе нового хозяина, ее жизненный цикл продолжится. К тому же у E. coli есть несколько уловок, способных серьезно повысить шансы на выживание. Ее обмен веществ настолько гибок, что она способна извлекать углерод из самых разных источников, даже из тротила. Если ее пытается съесть какойнибудь хищник, обитающий в почве, бактерия может избежать переваривания и вместо этого благоденствовать, превратившись в паразита. При чрезвычайно неблагоприятных обстоятельствах E. coli может сложить свою ДНК в очень компактную структуру, перейти в стационарную фазу и существовать в таком виде многие годы.

Иногда E. coli удается полностью отказаться от хозяина. Время от времени ученые обнаруживают в разных местах планеты популяции E. coli, процветающие в роли полноценных природных микроорганизмов. В Австралии, к примеру, исследователи обнаружили цветущие популяции E. coli в озерах, где никто не ожидал встретить ничего подобного. В эти озера не поступает фекальных масс, туда не сливают ни канализацию, ни отходы с ферм. Тем не менее в любой теплый день эти озера насыщены миллионами миллиардов E. coli. Эти бактерии несколько отличаются от более знакомых и привычных штаммов E. coli. В частности, они образуют необычайно прочную капсулу которая играет для микроба роль гидрокостюма и позволяет ему круглый год жить в озере. Этим бактериям, чтобы выжить, уже не нужен хозяин. Они освободились.

День на ярмарке

В центральной части штата Коннектикут, где я живу, сельскохозяйственные ярмарки — дело чрезвычайно серьезное. Каждое лето небольшие городки штата — Гошен, Дарем, Хаддам Нек — один за другим строят на большой площади торговые палатки и воздвигают чертово колесо. Дребезжа на неровных местных дорогах, подъезжают трейлеры с быками, готовыми таскать за собой бетонные блоки. Мэры и члены городского управления собираются, чтобы посоревноваться в искусстве доения коров. Эти ярмарки намного пережили расцвет породивших их сельскохозяйственных сообществ. Тем не менее тысячи людей приходят туда, чтобы увидеть гордо вышагивающих петухов, призовых коз и пироги — настоящие произведения искусства.

Каждое лето я с женой и двумя дочерьми бываю на нескольких таких ярмарках и каждый раз, оказавшись там, теряю всякое ощущение времени. Я чувствую себя так, будто вернулся в прошлое, в то время, когда практически любой десятилетний ребенок знал, как стригут овец. Но в тот момент, когда я, находясь в загоне со скотом, почти совсем уже теряю связь с настоящим, я вдруг замечаю у входа в загон деревянный столб с умывальником и мыльницей. Вид этого столба мгновенно возвращает меня в XXI век, и, когда мы покидаем загон, я забочусь о том, чтобы девочки тщательно вымыли руки с мылом.

Подобные загоны — родной дом для некоторых особенно злобных бактерий. Они обитают в организме животных, завоевывающих на ярмарках ленты и призы, падают с пометом в соломенную подстилку, уплывают по воздуху на пылинках, удобно устраиваются на щетинках мух. Они наполняют загоны, прилипают к полу и ограде, шерсти и перьям. Чтоы серьезно заболеть, достаточно крохотной дозы — скажем, попадания в рот десятка — другого особей. У человека начинается кишечное кровотечение, отказывают почки. Антибиотики только ухудшают положение, и все, что могут сделать врачи, — это организовать внутривенное введение пациенту физиологического раствора и надеяться на лучшее. Большинство людей со временем поправляется, но некоторые продолжают болеть всю оставшуюся жизнь, а порой и умирают.

Проверяя бактерии, ставшие причиной гибели человека, патологоанатомы обнаруживают старого знакомого — E. coli.

E. coli представлена многочисленными штаммами. Одинаковые по своим основным видовым биологическим особенностям, эти штаммы разительно отличаются друг от друга по образу жизни. В большинстве своем штаммы E. coli безвредны, но в природе, за стенами лабораторий, E. coli иногда становится патогенной и может не только вызвать недуг, но и убить. Чтобы как следует познакомиться с E. coli и понять, что для нее означает жизнь, недостаточно изучить один какойнибудь «прирученный» штамм вроде К-12. Смертельно опасные штаммы — точно такие же представители этого биологического вида.

Несколько десятилетий после открытия этой бактерии Теодором Эшерихом ученые не осознавали, насколько опасной может быть E. coli. Первое достоверное свидетельство того, что не все штаммы E. coli ведут себя как пассивные наблюдатели, было получено в 1945 г. Британский патологоанатом Джон Брей тогда занимался поисками причины так называемой «летней диареи» — смертельно опасной детской инфекции, эпидемия которой ежегодно прокатывалась по Британии и другим промышленным странам. Брей охотился за бактерией, которая присутствовала бы у всех больных детей, но отсутствовала у здоровых.

Лучший метод, которым располагал в то время Брей, состоял в получении антител к разным патогенным микроорганизмам. Антитела производятся клетками нашей иммунной системы при встрече с чужеродным белком. Впоследствии антитела атакуют возбудителя заболевания, распознав эти белки. Благодаря тому, что антитела обладают высокой специфичностью к своим мишеням, они будут игнорировать все другие белки, с которыми сталкиваются. Вводя соответствующие бактерии кроликам, Брей создавал антитела к некоторым известным болезнетворным микроорганизмам, таким как сальмонелла. Когда иммунная система кролика отражала атаку, Брей выделял из крови животных антитела. Затем он добавлял эти антитела к образцам, полученным из выделений больных детей. Он хотел посмотреть, не обнаружат ли они какихнибудь болезнетворных микроорганизмов. Но антитела не узнавали противника.

Пока Брей размышлял о том, антитела к каким микроорганизмам опробовать следующими, один педиатр в разговоре с ним случайно упомянул, что от многих детей, страдающих летней диареей, исходит странный запах, напоминающий запах спермы. Брей знал, что некоторые штаммы E. coli испускают примерно такой запах. Поэтому он получил антитела к E. coli и добавил их в свои культуры. Антитела немедленно нашли свои мишени. Брей обнаружил, что среди больных детей тест на эти антитела был положительным у 95 %, а среди здоровых — лишь у 4 %.

Тогда Брею удалось распознать лишь один болезнетворный штамм E. coli, но позже ученые выделили их немало. Некоторые из этих штаммов были давно известны медикам, но под другими названиями. Так, в 1898 г. японский бактериолог Киёси Сига (Шига) выяснил причину одной из форм кровавого поноса — бактериальной дизентерии. Ею оказалась бактерия, палочкообразное строение которой вполне соответствовало строению E. coli, но Сига назвал ее иначе. В конце концов, палочковидных бактерий много. А микроорганизм, обнаруженный японцем, выделял убивавший клетки токсин; никто никогда не видел, чтобы E. coli выделяла чтонибудь подобное. Кроме того, было известно, что E. coli способна расщеплять молочный сахар — лактозу. Бактерия Сиги этого не умела. Эти и другие отличия позволили Сиге объявить свой микроорганизм отдельным видом, который позже ученые назвали в его честь — Shigella (шигелла). И только в 1990–е гг., когда ученые получили возможность прочесть геном шигеллы целиком, буква за буквой, стало наконец ясно, что это всего лишь штамм — и даже несколько штаммов — E. coli.

Шли годы. Ученые находили все новые штаммы E. coli, способные вызвать широкий спектр различных заболеваний. Обнаружились штаммы, поражающие толстый кишечник, и штаммы, поражающие тонкий кишечник. Одни из них жили в кишечнике, не причиняя хозяину никаких неудобств, но, попадая в мочевой пузырь, могли вызвать тяжелую инфекцию, которая иногда распространялась и на почки. Другие штаммы приводили к заражению крови с летальным исходом, третьи проникали в мозг и вызывали менингит. Масштаб ущерба от них трудно оценить. Одна только шигелла каждый год поражает 165 млн человек, убивая из них 1,1 млн. Умирают в основном дети. Можно только гадать, что подумал бы Теодор Эшерих, если бы вдруг узнал, что его юных пациентов убивает не какаято таинственная бактерия, а его безобидная Bacterium coli communis.

Смертельно опасны многие штаммы E. coli, но одному из них в последние годы было посвящено больше новостных заголовков, чем всем остальным вместе взятым. Этот штамм именуют 0157: Н7 (обозначение относится к молекулам на поверхности бактериальной клетки). E. coli 0157: Н7 — тот самый штамм, который делает зоопарки, где можно гладить животных, зоной повышенной опасности, который может превратить шпинат или гамбургер в отраву и вызвать отказ какогото органа со смертельным исходом. Несмотря на развернувшуюся вокруг него шумиху, штамм этот сравнительно плохо известен науке и нов для нее.

В феврале и марте 1982 г. у 25 человек в Медфорде (штат Орегон) появились судороги и кровавый понос. Врачи обнаружили у некоторых пациентов совершенно неизвестный штамм E. coli. Три месяца спустя тот же штамм вызвал новую вспышку заболевания — на этот раз в Траверс — Сити (штат Мичиган). Источником инфекции оказались не прошедшие достаточную тепловую обработку гамбургеры, которые все жертвы ели в McDonalds. Выявилась закономерность, и теперь ученые начали искать E. coli 0157: Н7 в бактериальных образцах, взятых у пациентов в прошлые годы. Из 3000 штаммов E. coli, обнаруженных у американских пациентов за несколько предыдущих лет, один действительно оказался 0157: Н7. Он был взят у женщины в Калифорнии в 1975 г. Поиски в Великобритании и Канаде выявили еще семь случаев, но все они были зарегистрированы после 1975 г.

После этого штамм 0157: Н7 опять был забыт и канул в безвестность еще на десять лет. Он вновь проявил себя в середине 1990–х гг. целой серией вспышек, прокатившихся по миру. От одной вспышки в штате Вашингтон в 1993 г., причиной которой опять стали недостаточно тщательно приготовленные гамбургеры, пострадали 732 человека. Четверо из них умерли. Ученые выяснили, что 0157: Н7 может жить в кишечнике коров, овец и других сельскохозяйственных животных, не причиняя им никакого вреда. По оценкам ученых, около 28 % коров в США являются носителями штамма 0157: Н7. Причиной попадания бактерии из организма животного в организм человека может стать неправильный убой. Если при убое будет нарушена целостность прямой кишки коровы, бактерия может попасть в мясо. При современных технологиях производства мясо множества коров нередко смешивается, и E. coli 0157: Н7 от одного животного может распространиться на несколько тонн говядины или говяжьего фарша. Большая часть этих бактерий гибнет при кулинарной обработке, но в одной — единственной крошке сырого мяса может уцелеть достаточно E. coli 0157: Н7, чтобы вызвать опасную вспышку инфекции.

Вегетарианцы тоже не застрахованы от такой инфекции. Коровы выделяют E. coli 0157: Н7 с пометом, а в почве эта бактерия способна жить месяцами. На фермах он может распространиться с помета на растения и попасть в урожай; вероятно, его переносят слизни и дождевые черви, а также вода при поливе. В 1997 г. изза редьки, зараженной E.coli 0157: Н7, в Японии заболели 12 000 человек, трое из них умерли. Сегодня бизнес по выращиванию овощей почти столь же механизирован и обезличен, как мясной бизнес, и на всей территории США овощную продукцию в магазины поставляют лишь несколько крупных компаний. Такой порядок вещей расширяет радиус действия E. coli 0157: Н7 и увеличивает губительные возможности этой бактерии. В сентябре 2006 г. зараженный шпинат с одной — единственной фермы поразил людей в самых разных местах; всего заболело 205 человек в 26 штатах. Три месяца спустя изза салата, поставленного в рестораны сети Тасо Bell в пяти штатах, заболел 71 человек.

Попадая в рот будущей жертвы, E. coli 0157: Н7 вроде бы ничем особенно не отличается от других, безвредных штаммов E. coli. Бактерии начинают показывать характер только после того, как совершат путешествие через желудок и доберутся до толстого кишечника. Оказывается, представители E. coli 0157: Н7 обладают необычайной способностью прислушиваться к своему хозяину. Клетки человеческого кишечника вырабатывают гормоны, а у бактерии имеются рецепторы, способные эти гормоны улавливать. Эти гормоны сообщают E. coli, что пора готовиться к тому, чтобы вызывать у хозяина болезнь. Получив сигнал, бактерии отращивают жгутики и начинают плавать, проверяя все встречные молекулы в поисках сигналов, выпущенных их товарками, такими же бактериями E. coli 0157: Н7. Следуя сигналам, они собираются вместе, а образовав достаточно крупную армию, начинают вооружаться.

Самое мощное оружие E. coli 0157: Н7 — «шприц», которым бактерия протыкает клетку кишечника и вводит в нее настоящий коктейль из разных молекул. Эти молекулы по сути перепрограммируют клетку. Плотно прикрепившись к ней, бактерия активирует преобразование цитоскелета клетки. Его волокна, придающие клетке форму, начинают перемещаться относительно друг друга. На верхушке клетки формируется «пьедестал» — впадина, похожая на чашу, — удобное убежище для E. coli 0157: Н7. Клетка теряет цельность и начинает протекать, а бактерия питается проплывающими мимо обломками. В тот момент, когда у больного вместе с поносом начинается кровотечение, бактерия, пользуясь моментом, захватывает атомы железа из крови с помощью сидерофоров.

Приблизительно через трое суток после попадания в организм E. coli 0157: Н7 у человека начинает ухудшаться самочувствие. Развивается сильный понос, который переходит в кровавый. Появляются резкие и очень болезненные судороги. Большинство людей, пораженных E. coli 0157: Н7, через несколько дней поправляется. Но одного- двух из каждых 20 заболевших впереди ждет нечто значительно худшее.

В организме этих людей E. coli 0157: Н7 начинает вырабатывать токсин нового типа. Этот токсин проникает в клетки и нападает на рибосомы — фабрики по производству белков. Клетки погибают и распадаются. Токсин попадает из кишечника в соседние кровеносные сосуды и разносится кровью по всему организму. Он вызывает образование тромбов в сосудах и инсульты. Блокирует кровоснабжение целых органов, в первую очередь почек. Для некоторых действие этого токсина оказывается смертельным. Тем, кому повезет выжить, на полное выздоровление может потребоваться не один год. Некоторым придется всю оставшуюся жизнь регулярно подключаться к аппарату искусственной почки и делать диализ крови. У детей эта бактерия может вызывать повреждение головного мозга, и им заново приходится учиться читать.

О бактерии E. coli 0157: Н7 часто пишут и говорят, что вполне понятно — ведь этот штамм способен привести к возникновению внезапных эпидемий в промышленно развитых странах. Но если разобраться, это всего лишь один из множества опасных штаммов E. coli, которая может вызывать у человека самые разные заболевания. Шигелла, например, не скрывается в удобном убежище, как E. coli 0157: Н7. Она странствует. Добравшись до кишечника, она выделяет химическое вещество, которое ослабляет связи между клетками, образующими стенку кишечника, а затем проскальзывает в одну из образовавшихся щелей. Нарушение целостности стенки кишечника привлекает внимание находящихся поблизости иммунных клеток, которые протискиваются в щель вслед за бактерией. Шигелла, однако, не прячется и никак не маскирует свое присутствие. Напротив, она специально выпускает наружу молекулы, провоцирующие мощную атаку.

Иммунные клетки догоняют шигеллу и пожирают ее, но гибнет при этом не добыча, а охотник. Оказавшись внутри иммунной клетки, шигелла выпускает химическое вещество, которое заставляет захватившую ее клетку покончить с собой и взорваться. Гибель иммунной клетки привлекает внимание ее живых товарок, но и они не в состоянии остановить злодейку — шигеллу. Более того, они облегчают новым бактериям шигеллы путь сквозь стенку кишечника, так как тоже протискиваются сквозь нее, расширяя щели.

Отбившись от атак иммунной системы, шигелла выбирает себе удобную цель — клетку в стенке кишечника. Она сооружает себе «шприц», очень напоминающий этот же инструмент у E. coli 0157: Н7, и протыкает оболочку клетки. Молекулы, которые она впрыскивает, вместо того чтобы вызвать образование чаши на верхушке клетки, помогают сформировать проход, по которому шигелла может проскользнуть внутрь. Оказавшись внутри клетки, бактерия берет под контроль ее «скелет». Она продвигается вперед, заставив одно из волокон расти с заднего конца; другие волокна, попадающиеся ей на пути, она просто разрезает. Закончив пир в одной клетке, шигелла протискивается сквозь мембрану и начинает работу над ее соседкой. Умирающая клетка призывает к месту заражения дополнительную армию иммунных клеток, но они лишь открывают в стенке кишечника новые проходы, которыми может воспользоваться шигелла.

Как так получается, что E. coli может быть такой разной? Считается, что биологический вид состоит из особей, объединенных общими основными свойствами; нам кажется, что особи эти должны быть по существу одинаковыми. Если взглянуть на то, как ведут себя и действуют шигелла и E. coli 0157: Н7, можно подумать, что эти бактерии и безобидная E. coli К-12 принадлежат к совершенно разным видам. И все же анализ ДНК показывает, что все они, вне всякого сомнения, принадлежат к одному и тому же виду.

Если вам случится какнибудь остановиться после посещения загона для скота, чтобы тщательно вымыть руки, оглядитесь вокруг. Посмотрите на выставочных кур, гордо распушивших курчавые перья. Обратите внимание на кроликов с неподъемными ушами и на громадных свиней, послушно топающих на привязи за хозяевами. Вспомните их диких сородичей, куда менее нелепых: кустарниковую дикую курицу, американского зайца, дикого кабана. Эти животные наглядно демонстрируют, что у жизни нет никаких неизменных сущностей. Один из важнейших законов жизни заключается в том, что жизнь меняется. Кабаны становятся свиньями, а безобидная E. coli — убийцей. По случайному совпадению E. coli также является одним из лучших инструментов для изучения эволюции жизни: наблюдая за ней, можно понять, как развивается жизнь за дни, десятилетия или миллиарды лет. С одной стороны, она своим примером подтверждает основные положения теории Дарвина, с другой — показывает, насколько эволюция загадочнее и удивительнее, чем все, что Дарвин мог вообразить.

Предки из морозильника

В УГЛУ ОДНОЙ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ Университета штата Мичиган в идеальном круге покачивается небольшой столик. Там на орбитальном шейкере (встряхивателе) установлен десяток колб с бульоном. Жидкость в них вращается по кругу идеальным конусом без единого всплеска или морщинки. В каждой колбе — миллиарды E. coli. За ними ухаживают биолог Ричард Ленски и команда лаборантов и студентов. Внешне эксперимент Ленски выглядит точно так же, как другие бесчисленные эксперименты, проходящие в разных уголках мира. Но есть одно очень важное отличие. Типичный эксперимент с E. coli может продолжться всего несколько часов. За это время команда ученых может прогнать бактерии по лабиринту или вырастить их без кислорода, чтобы посмотреть, какие гены при этом включатся, а какие выключатся. Получив достаточно данных, чтобы разглядеть систему, ученые записывают результаты и избавляются от бактерий. А вот эксперимент в лаборатории Ричарда Ленски был начат в 1988 г. и продолжается до сих пор, хотя сменилось уже 40 000 поколений E. coli.

Ленски начал свой эксперимент с единичной бактерии E. coli. Он поместил ее в стерильную чашку Петри и позволил делиться до образования множества идентичных клонов. Эти клоны стали родоначальниками 12 отдельных — но генетически идентичных — линий. Ленски поместил каждую из этих линий в отдельную колбу. Отменив бесконечное сахарное пиршество, которым E. coli, как правило, наслаждаются в лабораториях, Ленски посадил своих микробов на голодную диету. Во второй половине дня у бактерий кончилась глюкоза. На следующее утро Ленски перенес 1 % уцелевших бактерий в новую колбу со свежим запасом сахара.

Периодически Ленски и его студенты извлекали из каждой колбы немного бактерий и закладывали их на хранение в морозильник, тогда как остальные бактерии в колбах продолжали спокойно размножаться. Время от времени Ленски размораживал какуюто часть старой культуры и давал бактериям возможность выйти из анабиоза, вновь начать питаться и размножаться. После этого он сравнивал предков и потомков. Довольно быстро Ленски выяснил важный факт: бактерии — потомки не похожи на своих предков. В частности, они в два раза крупнее и размножаются на 70 % быстрее. Кроме того, они становятся привередливы в еде. Если кормить их любым другим сахаром, кроме глюкозы, они растут медленнее, чем их предки в таких же условиях. И некоторые из них мутируют значительно быстрее, чем бактерии исходной линии. Эволюция сделала потомков непохожими на своих предков.

«Я признаю, — писал Чарльз Дарвин в “Происхождении видов”, — что естественный отбор всегда будет работать чрезвычайно медленно»[15]. Ленски удалось при помощи E. coli сделать то, о чем Чарльз Дарвин не смел и мечтать: ему удалось наблюдать эволюцию в действии.

Ламарк на пляже

Я живу неподалеку от пролива Лонг — Айленд, и время от времени мы с женой вывозим дочерей на побережье. Девочки кидают камни в воду и собирают водоросли. Иногда во время прогулки к нам присоединяются кулики — песочники, птички довольно нервные. Они носятся вдоль берега, останавливаются иногда, чтобы погрузить свои клювы в ил, и вновь уносятся на своих тоненьких ножках — соломинках.

Два века назад на таком же пляже на другой стороне Атлантики один французский натуралист тоже наблюдал за болотными птицами и думал о том, откуда они взялись. Вывод, сделанный Жаном — Батистом Ламарком, гласил, что птицы постепенно, от поколения к поколению, менялись, приспосабливаясь к среде обитания. Они эволюционировали. В 1801 г. Ламарк так описал эволюцию болотных птиц:

«Можно заметить, что береговая птица, которая вовсе не любит плавать, но которой тем не менее необходимо подбираться в поисках добычи к самой воде, постоянно будет подвергаться опасности завязнуть в грязи и иле. Желая избежать погружения в жидкий ил и воду, такая птица приобретает привычку постоянно вытягивать и удлинять свои ноги. В результате за несколько поколений птицы, сохраняющие такой образ жизни, окажутся обладателями длинных, как ходули, голых ног».

«Желание» — это всего лишь очень приблизительное описание того, что имел в виду Ламарк. Он описывал «тонкие флюиды», циркулирующие в организме как птиц, так и всех прочих живых существ, оживляющие их и управляющие их ростом и движениями. Эти тонкие флюиды, как тогда считалось, подвержены влиянию привычек животных, приобретенных ими при взаимодействии с внешним миром. Когда жираф тянул шею к листьям высоко на дереве, тонкие флюиды активно перетекали в его шею, и, по мере того как больше и больше флюида проходило через шею, она удлинялась. Точно также и болотные птицы вытягивали ноги, чтобы приподняться над топью. Так они отрастили себе длинные ноги. И жирафы, и болотные птицы передавали телесные изменения своим потомкам.

Ламарк не считал, что его взгляды на этот предмет очень уж оригинальны. «Закон природы, согласно которому новые особи получают все, что было приобретено организмом за время жизни их родителей, так правдив, так поразителен и так явно подтверждается фактами, что не найдется наблюдателя, который не смог бы самостоятельно убедиться в его реальности», — писал он.

И все же, каким бы очевидным и всеобщим ни казалось такое мнение, сегодня с ним связывают имя одного лишь Ламарка. Дело в том, что он описал все эти перемены смелее, чем кто бы то ни был до него, сделав их частью амбициозной теории, которая должна была объяснить происхождение всего разнообразия жизни. Жизнь, утверждал Ламарк, меняется вынужденно — под действием изначально присущего ей внутреннего импульса, стремления от простого к сложному. Именно этот импульс превратил микробов в животных и растения. При этом на каждом этапе восходящего движения к сложности биологические виды приобретают, помимо всего прочего, черты, необходимые им для жизни в конкретных условиях среды, и передают эти черты своим потомкам.

Ламарк умер в 1829 г. бедным и слепым; его теория вызывала только насмешки. Но от вопросов, которые он ставил в своих книгах, натуралисты того времени не могли просто отмахнуться. Как, к примеру, можно объяснить существование палеонтологической летописи?[16] А распределение сходных видов по миру? Через 30 лет после смерти Ламарка свое объяснение предложил Чарльз Дарвин. Он выступил за эволюцию, но отверг изначально присущее всем живым существам внутреннее стремление от простого к сложному, о котором говорил Ламарк. Вместо этого Дарвин утверждал, что жизнь развивается, главным образом, с помощью естественного отбора.

В каждом поколении вида можно найти широкий спектр вариаций. Если говорить о болотных птицах, то у одних особей ноги длиннее, у других короче. Некоторые из этих индивидуальных черт позволяют своим обладателям выживать и размножаться более успешно, чем это удается другим особям. Успешные особи передают свои признаки потомству, и от поколения к поколению эти признаки становятся в популяции все более обычными. За миллионы лет естественный отбор может породить самые разные тела. У птиц, к примеру, на ногах могут появиться страшные орлиные когти, утиные перепонки или те самые тонкие ходули, которые позволяют куликам спокойно разгуливать по топкому месту. Но естественный отбор действует только на те ноги, с которыми птицы уже появились на свет; ни о каких изменениях, которые могли произойти с птицами при жизни, речи не идет.

К концу XIX в. большинство биологов признали существование эволюции, но мнения о ее движущей силе разделились. Многие признали роль естественного отбора, но некоторые склонялись скорее к точке зрения Ламарка. Немецкий биолог Август Вейсман призывал вообще изгнать теорию Ламарка из биологии. В доказательство своей точки зрения он выращивал мышей и отрезал им хвосты. За много поколений, однако, хвосты у мышей не стали короче. Сторонники неоламаркизма отвергали эксперименты Вейсмана как бессмысленные. Самим животным не нужны более короткие хвосты, утверждали они, поэтомуто они и не укорачиваются. Неоламаркисты сомневались в возможностях естественного отбора. Они утверждали, что палеонтологическая летопись наглядно демонстрирует в истории жизни на Земле долгосрочные тенденции, которые сиюминутный естественный отбор никак не мог обеспечить.

Не одно десятилетие последователи Дарвина и Ламарка воевали, можно сказать, насмерть. Научной определенности все не было, а сомнения всегда подпитывают конфликты. Ученые не могли пока подступиться к законам наследственности и ее химическим механизмам. Нужен был организм, который можно было бы наблюдать в процессе размножения и адаптации, поколение за поколением. Организмом этим оказлась E. coli.

Игровые автоматы и штемпельные подушечки

Однажды вечером в 1942 г. в городке Блумингтоне (штат Индиана) в баре сидел беженец — итальянец и дразнил приятеля, мучившего игровой автомат.

Беженца звали Сальвадор Лурия. Еще на родине, в Турине, он начал учиться на врача, но после знакомства с вирусами и бактериями решил отказаться от медицинской карьеры в пользу научной. Во время Второй мировой войны он бежал из Италии в Париж, где поступил на работу в Институт Пастера и начал вместе с французскими коллегами изучать E. coli и ее вирусы. Когда германская армия подошла к Парижу, Лурия вновь бежал, на этот раз в Нью — Йорк. В США молодой человек встретился со своим научным кумиром Максом Дельбрюком, и они начали работать вместе. Ученые исследовали жизненный цикл вирусов — бактериофагов, паразитирующих на E. coli. Они сотрудничали с учеными, имевшими изобретенный незадолго до этого электронный микроскоп, при помощи которого можно было проследить, как именно эти существа проникают в будущего хозяина. В течение нескольких лет Лурия и Дельбрюк пытались разобраться в том, как E. coli умудряется выстоять в столкновениях с эпидемиями, которые насылают на нее ученые.

В типичном микробиологическом эксперименте исследователи добавляют в чашку с бактериями вирусы, и бактерии очень быстро пропадают из виду. Но вирусам не удается уничтожить все бактерии. Уже через несколько часов из уцелевших бактерий вновь возникают видимые колонии. Все E. coli в новых колониях оказываются резистентными к вирусу; если пересадить их в новую чашку Петри, а затем подвергнуть действию того же вируса, их потомки также проявят резистентность.

Глядя на такое поведение бактерий, многие микробиологи поневоле обратились к неоламаркизму. E. coli реагировала на вирусы точно так же, как в представлении Ламарка прибрежные птицы реагировали на болотистую почву. Угроза заражения заставляла их обзаводиться средствами защиты, которые они затем передавали потомству. Результаты других экспериментов на первый взгляд тоже укладывались в эту схему. Если ученые предлагали E. coli в качестве источника питания лактозу вместо глюкозы, бактерия начинала производить фермент, необходимый для расщепления лактозы, — и ее потомки тоже производили этот фермент. Был еще один фактор, заставлявший многих микробиологов обращаться к неоламаркизму: на тот момент практически ничего не говорило о том, что у бактерий есть гены. По мнению многих микробиологов, бактерии вроде E. coli представляли собой всего лишь мешочки с ферментами и другими химическими веществами, способные реагировать на изменения окружающей среды.

Но были микробиологи, которые думали иначе. Они утверждали, что у бактерий есть гены, которые, как и у животных, способны к спонтанным мутациям. В некоторых случаях мутация может по чистой случайности дать бактерии преимущество — к примеру, сделать ее резистентной к какомунибудь вирусу. При таком подходе получалось, что E. coli подчиняется законам Дарвина, а не Ламарка.

Никто прежде не проверял истинность этих альтернативных вариантов. Лурия и Дельбрюк потратили не один месяц, пытаясь придумать надежный способ проверки. Им удалось сделать это лишь в 1942 г., когда Лурия принял предложение о работе в Университете Индианы, «в таком месте, о котором я никогда раньше не слышал», как он сам позже написал. Вскоре после этого Лурия и оказался в Блумингтонском баре рядом с другим таким же профессором, увлекшимся борьбой с игровым автоматом. Профессор проигрывал, а в ответ на подначки Лурии совсем бросил игру.

«Именно тогда я впервые задумался о цифровых закономерностях игровых автоматов», — писал позже Лурия в своей автобиографии.

Автомат, в который играл тот профессор, был запрограммирован на выдачу всего лишь нескольких крупных выигрышей. В принципе, его можно было настроить и иначе. Можно было сделать так, чтобы автомат с небольшой вероятностью показывал выигрыш при каждом повороте ручки. В этом случае вместо одного крупного игроки получали бы намного больше выигрышей, но каждый из выигрышей был бы намного меньше. Внезапно Лурия понял, как можно провести эксперимент с резистентностью E. coli, чтобы достоверно определить, кто прав: Дарвин или Ламарк.

На следующий день Лурия стал готовить колбы с бактериями. В каждой колбе содержалась популяция, начало которой дали всего лишь несколько сотен микроорганизмов. Поскольку резистентных бактерий чрезвычайно мало — примерно одна на миллион, можно было сделать вывод, что все родоначальники популяций во всех колбах почти наверняка беззащитны перед вирусом. Резистентность к вирусу могла проявиться лишь после того, как популяция существенно выросла.

Популяции некоторое время росли, а потом Лурия взял из каждой колбы немного бактерий и рассадил их по чашкам Петри с заранее помещенными туда вирусами. Он ждал эпидемий, а затем возникновения резистентных колоний E. coli.

По Ламарку, живые существа, сталкиваясь с жизненными невзгодами, приобретали новые качества, а затем передавали их потомству. Если бы E. coli подчинялась законам Ламарка, бактерии должны были приобрести резистентность уже после того, как Лурия подверг их действию вирусов. Это означало бы, что после подсаживания в заселенную вирусами чашку у всех бактерий были равные, хотя и небольшие, шансы развить у себя резистентность. В этом случае Лурия через некоторое время должен был обнаружить в каждой чашке несколько резистентных колоний. Тогда эксперимент напоминал бы игровой автомат, достаточно часто выдающий небольшие выигрыши.

С другой стороны, если бы E. coli подчинялась законам Дарвина, то эксперимент напоминал бы игровой автомат с небольшим числом крупных выигрышей. Как утверждали последователи Дарвина, у E. coli при каждом делении был небольшой шанс мутировать вне зависимости от внешних обстоятельств. Иными словами, могло оказаться, что бактерии в эксперименте Лурии обрели резистентность еще во время размножения в колбах, задолго до реального столкновения с вирусами. В этом случае полученное бактериями преимущество привело бы к совершенно иному результату. Если бы такая мутация возникла в колонии на раннем этапе, то мутантная бактерия успела бы произвести на свет множество потомков. И когда Лурия взял бактериальный образец из такой колонии и поместил в чашку Петри с вирусами, должно было оказаться, что достаточное количество микробов обзавелись резистентностью заранее. В этой чашке выросло бы множество новых колоний.

В других колбах резистентные мутанты могли возникнуть намного позже. У них было бы существенно меньше времени на размножение до пересадки в чашки с вирусом, и в результате они породили бы куда меньше резистентных колоний. В третьих колбах не возникло бы вообще никаких подходящих мутантов. При пересадке такие бактерии вымерли бы целиком, оставив чашки пустыми. Таким образом, вместо нескольких схожих колоний в большинстве чашек — как следовало из предсказания по Ламарку — мутации по Дарвину породили бы несколько чашек с множеством колоний, в то время как в остальных резистентных колоний было бы мало или не было вообще.

Лурия раскрутил маховик своего «игрального автомата» — и начал считать точки колоний в чашках Петри. После окончания подсчета вердикт был ясен. В нескольких чашках колоний было множество, тогда как многие другие чашки оказались попросту пустыми. Игровой автомат жизни выдал всего несколько крупных выигрышей. Дарвин победил.

В 1943 г. Лурия и Дельбрюк опубликовали эти результаты, что обеспечило им обоим долю в Нобелевской премии 1969 г. Следующие поколения биологов воспринимали вышеописанное как один из величайших биологических экспериментов XX столетия. Он убедительно доказал, что бактерии, подобно растениям и животным, передают потомству свои признаки при помощи генов. И показал также, что эти гены способны спонтанно изменяться и распространяться в популяции с помощью естественного отбора. Этот эксперимент стал мощным инструментом науки. Теперь, росто посчитав колонии бактерий в чашке Петри, ученые могут определить, с какой частотой возникают мутации.

Однако в тот момент, когда Лурия и Дельбрюк впервые опубликовали описание и результаты своего эксперимента, на скептиков они особого впечатления не произвели и неоламаркистов ни в чем не убедили. Приверженцы неоламаркизма указывали, что авторам эксперимента приходилось в своих выводах опираться на множество косвенных свидетельств. Могло ведь оказаться, что колбы, задействованные в эксперименте, изначально были не совсем одинаковыми. В некоторых, например, могли остаться следы мыла или какогото другого постороннего вещества, позже повлиявшего на бактерии. Споры о том, как именно адаптируются бактерии, продолжались среди микробиологов еще лет десять.

Скептиков никак не удавалось убедить, до тех пор пока Джошуа Ледерберг (тот самый, что открыл половое размножение E. coli) не проверил гипотезу игрального автомата в новом эксперименте. Ледерберг и его жена Эстер обернули конец деревянного цилиндра, примерно соответствующего по диаметру чашке Петри, куском бархата, а затем окунули его сначала в чашку с E. coli, а затем в чашку с вирусами. Процедура была проделана трижды — так что три чашки с вирусами получили отпечаток с эшерихиями из одной и той же первоначальной чашки.

Через несколько часов почти все бактерии, занесенные Ледербергами в чашки с вирусами, погибли от инфекции. Небольшое количество мутантов, однако, уцелело и дало начало новым видимым колониям. Ледерберги сфотографировали каждую чашку и сравнили получившиеся изображения. Созвездие мутантных колоний во всех трех чашках выглядело одинаково!

Ледерберги сделали логичный вывод о том, что мутации бактерий возникли еще в первоначальной чашке. Перенося бактерии из чашки в чашку при помощи бархатного штампа, они брали мутантов из одного и того же места в чашке и помещали в то же место чашки с вирусами. Если бы E. coli подчинялась Ламарку, то резистентность она приобрела бы только при столкновении с вирусами, не раньше. И странно было бы ожидать в таком случае одинакового расположения колоний резистентных бактерий во всех трех чашках.

Ледерберги понимали, что они могут выявить резистентные бактерии лишь после того, как те столкнулись с вирусами, поэтому продолжили эксперимент, чтобы доказать, что мутантные особи обладали резистентностью до этого события. Они взяли при помощи бархатного штампа бактерии из чашки с небольшим числом видимых колоний и перенесли в чашку, полную вирусов, а затем подождали, пока из резистентных бактерий в чашке с вирусами вырастут новые колонии. Каждая новая колония соответствовала одной из колоний в первоначальной чашке. После этого Ледерберги взяли из первоначальных колоний некоторое количество бактерий и поместили их в колбы, где те могли размножаться без ограничений. Затем ученые повторили свой эксперимент на новых бактериях — вырастили в новой чашке несколько колоний и перенесли их при помощи бархатного штампа. Теперь все колонии были резистентны. Ледерберги засеяли бактериями из чашки еще одну колбу и вновь повторили эксперимент.

Сколько бы раз ни повторялась описанная процедура, бактерии оставались резистентными к вирусу, хотя ни одна из них в ходе эксперимента теперь с вирусами не сталкивалась. В 1952 г. Ледерберги опубликовали результаты своего эксперимента, утверждая, что некоторое количество резистентных бактерий мутировали до его начала, а затем передали потомкам ген резистентности. Упрямо держаться за теорию Ламарка теперь было бы нелепо.

Вышеописанные эксперименты с E. coli помогли объединить теорию эволюции и генетику и выработать новую синтетическую теорию. Чем больше узнавали ученые о генах и белках, тем яснее становились механизмы естественного отбора. Случайная мутация изменяла последовательность нуклеотидов гена и, следовательно, структуру соответствующего белка. В некоторых случаях мутации оказывались летальными, так как блокировали производство необходимого белка. Другие мутации были для организма безразличными. Зато некоторые — очень редкие — мутации реально повышали репродуктивный успех особи. При этом преимущества или, наоборот, недостатки мутации зависели от окружающей среды. Так, мутация, придающая E. coli резистентность к вирусу, гарантирует ей репродуктивный успех лишь в том случае, когда колонии действительно угрожают вирусы. Если нет, такая мутация останется безразличной. Она может даже стать для организма обузой.

За следующие 50 лет биологи — эволюционисты накопили целые горы данных, доказывающих, что эволюция действительно происходит, причем именно таким образом. В большинстве случаев, однако, им приходится изучать эволюцию косвенно, сравнивая гены различных организмов, чтобы разобраться в том, как они произошли от общего предка с помощью естественного отбора. Но есть несколько видов, на которых ученые могут наблюдать эволюцию «в прямом эфире», поколение за поколением, мутация за мутацией. E. coli принадлежит к самым удобным и благодатным из них.

Эволюция в действии

Сальвадор Лурия в своем эксперименте, вдохновленном игровым автоматом, сумел пронаблюдать один виток эволюции. Популяция E. coli столкнулась с проблемой — атакой вируса, и естественный отбор дал преимущество резистентным мутантам. Но естественный отбор формирует вид постоянно, в каждом поколении. Возникают новые мутации, гены, передаваемые от родителей потомству, складываются в новые комбинации, а переменчивая окружающая среда то и дело создает новые проблемы. На таком масштабном фоне наблюдать эволюцию намного сложнее. У жизни на изменения были миллионы лет, тогда как ученые живут на этой земле всего лишь по нескольку десятилетий. Дарвин предпочел изучать эволюцию, условно говоря, на расстоянии, и сто лет спустя большинство биологов — эволюционистов продолжало поступать так же. Они исследовали гены разных видов, чтобы определить, как эти виды разошлись, или занимались поисками новых вариантов генов, возникших в ответ на новые вызовы. Они искали признаки действия естественного отбора в прошлом. Но в 1980–е гг. нашлись ученые, которые решили пронаблюдать за ходом эволюции в реальном времени. Они начали отслеживать, как E. coli и другие бактерии подвергаются естественному отбору прямо в лаборатории, у них на глазах.

Одним из таких ученых был и Ричард Ленски. В начале своей научной карьеры он в поисках жуков исходил вдоль и поперек Голубой хребет в Аппалачских горах. Он хотел выяснить, как жуки вписываются в пищевые цепи Голубого хребта. Ленски сосредоточил свою работу на жуках рода Carabus из семейства жужелиц. Он надеялся установить, чем контролируется численность популяции этих жуков — может быть, резкими похолоданиями или анормальной жарой, а может, конкуренцией за добычу (мелкие насекомые). Вопрос этот, надо сказать, представлял далеко не академический интерес. Вполне могло оказаться, что жужелицы охраняют здоровье лесов, сдерживая численность вредителей, наносящих ущерб деревьям. Понимание экологии жужелиц могло помочь предсказывать вспышки численности вредителей, а возможно, и предотвращать их.

Каждую весну Ленски выходил на склоны гор и рыл ямки, ставил туда пластиковые стаканчики и накрывал их воронками. Жуки скатывались через воронки в стаканчики, а Ленски ежедневно приходил и считал их. Он помечал пойманных жужелиц и отпускал. Ленски отслеживал, какой вес они набирали за лето; сравнивал, сколько он поймал жужелиц вида Carabus sylvosus и сколько — Carabus limbatus; сравнивал численность жуков в густом лесу и на открытых местах.

Ленски искал закономерности. В науке выявлению закономерностей помогает многократное повторение эксперимента. Врачи при испытаниях нового лекарства задействуют тысячи людей. Физики, выясняя закономерности поведения фотона, производят миллионы лазерных импульсов. Экологи тоже стараются повторять свои эксперименты, но от них это требует гораздо больших усилий. Для своего исследования Ленски выгородил четыре отдельных участка — два в лесу, два на открытом месте — иустановил на каждом из них по 16 ловушек. При таком небольшом числе испытаний Ленски мог уловить лишь слабые тени закономерностей, смутные образы сил, управляющих жуками.

В конце концов Ленски спустился с гор на землю. Придется, решил он, найти другой живой организм, изучение которого позволит отыскать хоть какието ответы на мучившие его серьезнейшие вопросы. Он нашел такой организм, и им оказалась E. coli. Заглянув в колбу с E. coli, Ленски увидел в ней целую гору. Это была экосистема с миллиардами особей. Подобно жужелицам, E. coli занималась поисками пищи и продолжением рода. Охотились на нее не саламандры, а вирусы. Возможно, экосистема E. coli была проще, чем экосистема Голубого хребта, но в науке простота зачастую является достоинством. Исследователь может четко контролировать в эксперименте все факторы и без труда отслеживать влияние каждого из них.

А самое приятное — то, что E. coli, по крайней мере в теории, способна эволюционировать очень быстро. Мутации, конечно, возникают очень редко, но если в одной колбе обитают миллиарды бактерий, хотя бы несколько мутантов найдется в каждом поколении. А поскольку E. coli способна делиться каждые 20 минут, благоприятная мутация достаточно быстро распространится по колонии.

Ричард Ленски придумал простой, но мощный эксперимент. Он ограничил снабжение своих бактерий глюкозой, изза чего они испытывали сильное давление естественного отбора. Несколько десятилетий предки этих бактерий пировали в сахарной ванне и, естественно, успели приспособиться к такой диете. Большинство в популяции давно уже принадлежало тем бактериям, кто умел быстрее всего превращать пищу в потомство. Но в эксперименте Ленски гены, отвечавшие за максимальную скорость размножения, оказались не такими уж полезными. Его бактерии росли медленно, а иногда и вообще останавливались в росте. Любая новая мутация, позволяющая микроорганизмам выжить в таких условиях, рассуждал Ленски, должна быть подхвачена естественным отбором.

По мере того как в лаборатории ученого сменялись тысячи поколений E. coli, у них начали проявляться эволюционные сдвиги. Когда Ленски сравнил бактерии, давшие начало «его» популяции, с их потомками, новые микробы в новых условиях опятьтаки размножались быстрее. Чем больше проходило времени, тем лучше адаптировались бактерии. Через десятилетие скорость роста колоний значительно выросла. Ход эволюции не был гладким и равномерным — несколько сотен поколений бактерий могли смениться без всяких видимых изменений, но затем происходил стремительный эволюционный скачок. Пока E. coli эволюционировала и училась размножаться быстрее, Ленски заметил и другие изменения.

Студенты Ленски продолжали поддерживать созданную им династию E. coli поколение за поколением; другие ученые при помощи тех же методов проводили собственные эксперименты. Некоторые наблюдали, как E. coli адаптируется к жизни при температуре +41 °C, характерной для лихорадочного состояния. Другие напускали на колонии бактерий вирусы и смотрели, как микробы обретают резистентность, — только затем, чтобы вирусы тоже эволюционировали и нашли способ обойти их защитные механизмы, после чего весь цикл начинался сначала. Эксперимент Ленски продолжался намного дольше прочих, но даже не слишком продолжительные эксперименты помогали ученым получить поразительные результаты. К примеру, Бернард Палссон и его сотрудники из Калифорнийского университета в Сан — Диего кормили пять популяций E. coli соединением углерода — глицерином — трехатомным спиртом, который используется в производстве мыла и косметики. Нормальная E. coli с трудом питается глицерином, но Палссон сумел подстегнуть эволюцию бактерий — гурманов, ценящих глицерин. Всего через 44 дня (660 поколений E. coli) бактерии у него росли вдвое быстрее, чем основатели популяций.

Чем бы ни занималась E. coli — сражалась ли с вирусами, адаптировалась ли к глицериновой диете или училась справляться с жарой, — она, без сомнения, эволюционировала. Возможно, быстрый ход эволюции в условиях эксперимента отражает ее стремительность в естественных условиях. В конце концов, всякий раз, когда бактерия оказывается в новых условиях, давление естественного отбора на нее резко и внезапно сдвигается. Гены, позволяющие E. coli прекрасно чувствовать себя в кишечнике человека, могут мутировать в гены, лучше приспособленные к жизни в почве.

Эти эксперименты позволили ученым проанализировать механизм естественного отбора во всех подробностях, хорошенько разобравшись в конкретных мутациях, которые дают E. coli адаптивные преимущества. Каждый раз, когда бактерия делится, у нее есть лишь один шанс из ста тысяч, что произойдет мутация, которая позволит ее потомкам размножаться быстрее. Преимущество часто бывает крошечным, но все же позволяет потомкам мутантов обогнать своих собратьев. У этих потомков, в свою очередь, есть маленький шанс получить вторую мутацию, которая еще заметнее ускорит их размножение. В эксперименте Палссона, где сменилось 660 поколений E. coli, он и его коллеги сумели зарегистрировать две — три мутации в каждой популяции. По оценке Ленски, за более чем 30000 поколений его линии бактерий приобрели не менее 100 благоприятных мутаций.

Благоприятные мутации могут принимать различные формы. Некоторые изменяют один — единственный нуклеотид в составе гена — это примерно то же, что заменить в слове одну букву (например, СТОЛ на СТУЛ). Такие мутации изменяют структуру белка, за производство которого отвечает ген, и, соответственно, механизм его работы. Он может получить возможность надежнее, чем прежде, разрезать нужную молекулу или реагировать на новый сигнал. При других мутациях случайно возникает дополнительная копия участка ДНК. В эксперименте Палссона такие дублированные сегменты насчитывали от 9 до 1,3 млн пар нуклеотидов. При случайной дупликации участка ДНК могут возникать дополнительные копии старых генов. Естественный отбор иногда подхватывает такие мутации, потому что они позволяют E. coli производить больше молекул тех или иных белков, необходимых для роста и размножения. Однако со временем в одном из двух одинаковых участков ДНК могут возникнуть собственные мутации, которые позволят ему взять на себя новую функцию. Наконец, иногда мутации отщипывают от ДНК кусочки, и в некоторых случаях бактерии, потерявшие часть генетического материала, получают преимущество. Возможно, дело в том, что белки, которые когдато были полезны, со временем могут стать для микроорганизма обузой.

Эксперименты, подобные описанным, показывают, что мутации возникают случайно, а их результаты зависят от того, способствуют ли они процветанию организма в конкретных условиях. Но означает ли это, что ход эволюции совершенно случаен? Покойный палеонтолог Стивен Джей Гулд мечтал поставить эксперимент, способный, как он говорил, повторно воспроизвести запись, сделанную природой. «Вы нажимаете клавишу обратной перемотки и, убедившись, что все реально произошедшее надежно стерто, возвращаетесь назад в любую точку во времени и в любое место в прошлом…» — писал он в книге «Чудесная жизнь» (Wonderful Life, 1989). — Затем пускаете запись с начала и смотрите, будет ли второй прогон скольконибудь похож на оригинал».

Если не говорить о путешествиях во времени, то наилучшим способом получить ответ на этот вопрос, по мнению Гулда, является тщательное изучение палеонтологической летописи, регистрирующей момент появления и исчезновения видов. Но эксперименты на E. coli тоже могут оказаться небесполезными в этом плане — по крайней мере, там, где речь идет о годах, а не об эпохах. Эксперименты, такие как у Ленски, представляют собой особенно мощный инструмент, потому что обеспечивают повторяемость: в ходе подобных исследований можно пронаблюдать, как разворачиваются эволюционные процессы, не один раз, а многократно. Так, сам Ленски получил от одного предка 12 отдельных линий, в каждой из которых процесс естественного отбора протекал независимо. Возможно, Ленски с коллегами и не сумели перемотать назад повторно проиграть запись эволюции E. coli. Но им удалось получить 12 независимых копий одной и той же записи и посмотреть, что происходит, когда все они проигрываются одновременно.

Оказывается, такие записи не идентичны, но различаются не слишком сильно. В экспериментах Ленски средняя скорость роста колоний E. coli увеличивалась, но некоторые линии росли намного быстрее остальных. Во всех линиях размеры отдельной бактерии за время эксперимента увеличились, но некоторые стали круглыми, в то время как другие сохранили палочковидную форму. Внимательно рассмотрев геномы полученных бактерий, ученые обнаружили в их ДНК множество различий. Одна из причин, по которым эволюция может двигаться разными путями, заключается в том, что механизм мутаций вовсе не прост. Одна и та же мутация для одной бактерии может оказаться полезной, а для другой — вредной и даже смертельной. Дело в том, что действие мутантного гена отчасти зависит от того, как он взаимодействует с другими генами. В одних случаях гены могут успешно работать вместе, в других — мешать друг другу.

Несмотря на отличия, естественный отбор может перевесить многие причудливые зигзаги истории развития вида. Может быть, линии Ленски и не идентичны, но в целом все они эволюционировали в одном направлении. Кроме того, на молекулярном уровне пути их развития тоже двигались к одной точке. Ленски и его коллеги обнаружили несколько случаев, когда один и тот же ген мутировал во всех 12 линиях. Но даже гены, у которых последовательность нуклеотидов осталась прежней, изменились примерно одинаково. Одни из них стали производить больше белка, другие меньше. Ленски с коллегами внимательно проследили, как изменилась экспрессия[17] генов в двух линиях E. coli. Они выявили 59 генов, и направление изменений всех 59 генов обеих линий было одинаковым. Эволюция продолжала наигрывать одну и ту же мелодию.

Густо заросший берег

«Любопытно созерцать густо заросший берег, — писал Чарльз Дарвин в “Происхождении видов”, — покрытый многочисленными, разнообразными растениями с поющими в кустах птицами, порхающими вокруг насекомыми, ползающими в сырой земле червями, и думать, что все эти прекрасно построенные формы, столь отличающиеся одна от другой и так сложно одна от другой зависящие, были созданы благодаря законам, еще и теперь действующим вокруг нас»[18].

Дарвин не верил, что можно реально наблюдать происходящее на заросшем берегу жизни. Он утверждал, что жизнь эволюционирует и создает новые виды в течение больших промежутков времени, меняясь столь же медленно, как медленно растут горы или опускаются на дно морское острова. Он мог только оглядеться вокруг и изучить результаты эволюции, такие как распределение по миру родственных видов; по существу, это было единственным на тот момент средством восстановить историю заросшего берега. И сегодня большинство ученых, исследующих растительный и животный мир, по — прежнему идут по стопам Дарвина. Собранные ими данные свидетельствуют, что на формирование новых видов, на их отделение от видов существующих уходят обычно тысячи лет. Сидеть на берегу в надежде увидеть, как появляется новый вид, чаще всего бесполезно.

Оказывается, однако, что действие некоторых из тех сил, что управляют происхождением видов, можно наблюдать в чашке с E. coli. В начале 1990–х гг. микробиолог из Мичиганского университета Джулиан Адамс использовал для своих опытов колонию E. coli, полученную из одной бактерии. Адамс и его коллеги держали бактерии на голодном пайке из глюкозы, но, в отличие от Ленски, старались не доводить их до настоящего голода. Бактерии у них начали эволюционировать, приспосабливаясь к новым условиям. К удивлению Адамса, естественный отбор вовсе не придерживался одной — единственной стратегии. Когда ученый поместил свои бактерии в чашки Петри, в них сформировались колонии двух типов: в виде больших пятен и в виде маленьких.

Адамс решил, что исходная колонии оказалась загрязнена другим штаммом, поэтому прекратил эксперимент и начал все заново. После того как новая колония адаптировалась к диете с низким содержанием глюкозы, Адамс снова расселил бактерии по чашкам. И вновь увидел то же самое — большие и маленькие пятна колоний. Адамс повторил эксперимент еще несколько раз и обнаружил, что на формирование двух четко различимых типов бактерий требуется примерно 200 поколений. Стало окончательно ясно, что из одного клона раз за разом развивается два разных типа Е coli.

Оказывается, эти два типа — экологические партнеры. В больших колониях обитают бактерии, которые лучше своих предков умеют питаться глюкозой. При этом один из отходов жизнедеятельности этих бактерий — ацетат. Известно, что E. coli может утилизировать ацетат, хотя растет при этом медленнее, чем при питании глюкозой. Адамс обнаружил, что часть его бактерий научилась использовать ацетат в качестве питательного вещества эффективнее, чем их предки. Бактерии, питавшиеся ацетатом, росли медленно, но никогда не вымирали, потому что использовали пищу, которую быстрорастущие бактерии утилизовать не могли. Так в лаборатории Адамса спонтанно возникла пищевая цепочка, в которой организмы зависели друг от друга.

Другие ученые подтвердили выводы Адамса собственными экспериментами и создали из единственного предка E. coli другие примеры экологического разнообразия. Майкл Дебели и его коллеги из Университета Британской Колумбии вместо чисто глюкозной диеты изначально выращивали E. coli на среде с глюкозой и ацетатом. После 1000 поколений Дебели обнаружил, что его бактерии тоже сформировали большие и маленькие колонии. Оказалось, однако, что эти колонии отличаются от больших и маленьких колоний Адамса. Бактерии в колониях обоих типов у Дебели утилизировали и глюкозу, и ацетат, а разница между ними заключалась в выборе временного режима. Бактерии крупных колоний питались глюкозой до тех пор, пока она не заканчивалась, и лишь затем переходили на ацетат, а бактерии мелких колоний начинали делать это раньше и, соответственно, имели в питании ацетатом некоторую фору.

После этого Дебели с коллегами внимательно присмотрелись к тому, как изменились гены обитателей тех и других колоний. Как правило, если E. coli питается глюкозой, то гены, отвечающие за расщепление ацетата, надежно подавлены. Дело в том, что, если бактерия производит одновременно оба набора ферментов (и для глюкозы, и для ацетата), они начинают мешать друг другу и устраивают своеобразную дорожную пробку. Когда наступает время переходить на другую пищу, бактерии приходится сначала уничтожить все готовые ферменты, утилизирующие глюкозу, и лишь потом приступить к синтезу ферментов для расщепления ацетата. Дебели обнаружил, что в мелких колониях естественный отбор благоприятствовал тем мутантам, которые не подавляли гены ацетатного оперона. Пока в наличии были и глюкоза, и ацетат, эти мутанты питались тем и другим, хотя делали это намного менее эффективно, чем специализирующиеся на глюкозе бактерии из крупных колоний. Жертвуя эффективностью, они получали преимущество в другом: поскольку все ферменты, участвующие в утилизации ацетата, у них были готовы заранее, они без труда опережали бактерии из крупных колоний и, пока те занимались небыстрым делом внутренней реорганизации, спокойно питались.

Возможно, эти эксперименты на E. coli помогут пролить свет на механизм формирования новых видов. В Никарагуа, к примеру, природа придумала собственные чашки Петри в виде потухших вулканов, постепенно наполнившихся дождевой водой. Озера в кратерах этих вулканов полностью изолированы от близлежащих озер и рек, но иногда — очень редко — ураган заносит в них мальков рыб. В озере Апойо, сформировавшемся около 23 000 лет назад, живет два вида рыб семейства цихлиды. Один из этих видов — цихлазома лимонная (Cichlasoma citrinellum) — крупная рыба, которая роется в иле и поедает улиток, раздавливая их раковины. Второй — амфилофус стройный (Amphilophus zaliozus) — тонкое стремительное существо, промышляющее личинками насекомых на открытой воде. Анализ ДНК показывает, что цихлазома лимонная была заброшена в озеро уже сформировавшимся видом, а амфилофус стройный отделился от него уже в озере в результате дальнейшей эволюции. Не исключено, что процесс занял всего несколько тысяч лет.

Какие бы виды ни исследовали ученые — E. coli, цихлид или еще когонибудь, им приходится сталкиваться с одним и тем же вопросом: зачем нужна специализация? Почему живые организмы не эволюционируют, наоборот, в сторону универсальности? Возможно, существуют объективные пределы того, насколько эффективно один организм может делать множество разных вещей. Рано или поздно приходится выбирать. Так, мутация, помогающая E. coli питаться ацетатом, может одновременно снизить ее способность питаться глюкозой. Пытаясь делать все сразу, универсалы, вполне возможно, проигрывают специализированным организмам, которые умеют делать чтото одно, зато гораздо лучше. Возможно, цихлиды в свое время столкнулись с подобным выбором. А гибридные цихлиды, скорее всего, не слишком хорошо приспособлены и к питанию улитками, и к охоте на личинок, и их ждет заведомо меньший репродуктивный успех, чем специализированных рыб на обоих концах спектра. По мере того как в экосистеме возникают новые виды, они изобретают все новые способы добычи пропитания. И со временем Дарвинов берег зарастает все гуще

Князь — анархист

В 1882 Г. Чарльз Дарвин был с большой помпой похоронен в Вестминстерском аббатстве. Но уже очень скоро его наследие стало вызывать среди биологов горячие споры. В 1886 г. британский зоолог Томас Гекели опубликовал шокирующий очерк под названием «Борьба за существование и ее влияние на человека». В нем автор нарисовал весьма непривлекательную картину природы как мира, где каждый сражается против каждого. «Животный мир представляет собой чтото вроде гладиаторского шоу, — писал Гекели. — Зверей в нем сравнительно неплохо содержат и выпускают драться. Самый сильный, быстрый и хитрый остается в живых, чтобы завтра вновь вступить в схватку. Зрителям нет нужды показывать обращенные вниз большие пальцы — снисхождения в этом мире не бывает». Гекели считал, что человеку, чтобы придерживаться принципов морали, необходимо идти против собственной природы.

На очерк Гекели последовал язвительный ответ от одного князя — анархиста. Петр Кропоткин родился в 1842 г. в семье богатого русского аристократа. При Александре II он окончил элитное военное учебное заведение — Пажеский корпус, но успел разочароваться в придворной жизни и попросился служить в Сибирь. Там он работал секретарем комиссии по тюремной реформе, и ужасы, свидетелем которых он стал в каторжных лагерях, превратили князя в радикального анархиста. В то же время он вырос до первоклассного ученого. В 1864 г. Кропоткин впервые принял участие в географической экспедиции и следующие восемь лет занимался исследованием сибирских ландшафтов.

После возвращения из Сибири Кропоткин очень быстро оказался в тюрьме за свои политические убеждения. Он бежал и перебрался в Европу, где начал писать политические памфлеты; это творчество принесло ему славу — и новые тюремные сроки. Очерк Гекели появился в печати в тот момент, когда Кропоткин, отсидев три года, вышел из французской тюрьмы. Он обосновался в Англии и немедленно приступил к написанию целой серии критических очерков, направленных против Гекели и его, как он считал, неправильных взглядов и на человека, и на природу. Позже его очерки были изданы в виде сборника «Взаимопомощь как фактор эволюции», который стал бестселлером.

Кропоткин утверждал, что мораль не искусственна и не связана с цивилизацией, а наоборот, изначально естественна для человека и определяется самой глубинной его природой. «Взаимная помощь — такой же закон природы, как и взаимная борьба», — писал он. Сотрудничество появилось и развилось благодаря тем преимуществам, которые оно обеспечивает по сравнению с эгоистичным поведением. Животные не бросают друг друга, а проявляют заботу и взаимопомощь. Кропоткин рассказывает один случай за другим, приводит бесконечные примеры деятельной доброты в животном царстве — от лошадей, которые помогали друг другу уйти от степного пожара, до мечехвостов, помогавших лежащим на спине товарищам перевернуться обратно.

Можно только гадать, что подумал бы Кропоткин о E. coli. Вероятно, ему было бы приятно наблюдать, как миллиарды микроорганизмов работают вместе на строительстве биопленки, и следить за путешествиями целых стай бактерий, где все особи переплелись жгутиками. Возможно, его поразило бы бескорыстное самопожертвование бактерий, превращающих себя в живую колициновую бомбу ради того, чтобы избавиться от представителей других штаммов. А возможно, Петр Алексеевич совсем не удивился бы этому. В конце XX в. дух сотрудничества, владеющий E. coli, стал для ученых неожиданным открытием, но Кропоткин еще сто лет назад написал пророческие слова: «Взаимная помощь встречается даже среди самых низших животных, и мы, вероятно, узнаем когданибудь от лиц, изучающих микроскопическую жизнь стоячих вод, о фактах бессознательной взаимной поддержки даже среди мельчайших микроорганизмов»[19].

Кропоткин принадлежал к той же научной эпохе, что и Дарвин. Он был типичным для XIX в. наблюдательным натуралистом и ничего не понимал ни в ДНК, ни в мутациях. О том, как в клетках возникают мутации и как они помогают особи победить во внутривидовой конкурентной борьбе, ученые узнали только в середине XX в. Но и этот взгляд на эволюцию при своем появлении оттолкнул многих биологов точно так же, как картина гладиаторских боев внутри вида, которую рисовал Гекели, отталкивала Кропоткина.

Интеллектуальные внуки Кропоткина спрашивали, как конкуренция между особями может дать начало новой стратегии поведения, полезной не для особи, а для группы. Так, рыбы объединяются в гигантские косяки, которые движутся согласованно, почти как единый организм. Стерильные рабочие муравьи заботятся о потомстве своей матки. Сурикат готов стоять на страже, чтобы его сородичи могли спокойно заниматься поисками пищи. Но ведь мутация, заставляющая суриката стоять столбиком и охранять покой своих товарищей, делает его самого куда более уязвимым! Даже предполагая, что естественный отбор способен породить подобные самоотверженные стратегии поведения, биологи недоумевали, как он может сделать так, чтобы отдельные особи не пользовались беззастенчиво альтруизмом других.

Для E. coli это совсем не умозрительный вопрос. Когда у колонии микроорганизмов заканчивается пища, ее члены, вступая в стационарную фазу, начинают сложный совместный танец. Микроорганизмы обмениваются сигналами, цель которых — синхронизировать действия по свертыванию ДНК и прекращению производства белков. Вступая в стационарную фазу одновременно, бактерии тем самым повышают свои шансы на то, что по крайней мере некоторые из них уцелеют до того момента, когда внешние условия вновь улучшатся, хотя многие, скорее всего, погибнут. Но Роберто Колтер из Гарварда и его бывший студент Марин Вулич обнаружили, что некоторые бактерии не принимают участия в этом танце смерти.

Вулич и Колтер обнаружили, что в такой колонии время от времени возникают мутанты, способные очнуться от своего «летаргического сна» — стационарной фазы — и вновь начать питаться. При этом в качестве источника питания они используют не сахара, а аминокислоты, которые выделяют их спящие товарищи. Затем бактерии, находящиеся в стационарной фазе, начинают понемногу умирать; при этом их оболочки разрушаются и содержимое выходит наружу. Мутанты утилизируют белки и ДНК погибших родичей. Рацион получается достаточно жалкий, но на размножение все же хватает. Через несколько недель потомки «нарушителей конвенции» уже играют в популяции ведущую роль.

Такое предательство наблюдалось в ходе эксперимента нередко. Стоило посадить популяцию E. coli

Сила в численности

В 1950–е гг. некоторые ученые объясняли сотрудничество среди животных при помощи гипотезы группового отбора. Они утверждали, что большие группы неродственных животных конкурируют между собой точно так же, как конкурируют между собой отдельные особи. Приспособления, позволяющие одним группам размножаться быстрее, чем другим, должны со временем получать более широкое распространение в популяции. Согласно этой гипотезе, групповой отбор может создавать черты и поведенческие стратегии, которые идут на пользу многим, а не нескольким особям. К примеру, в некоторых птичьих колониях каждый год может завести потомство лишь треть взрослых птиц. Сторонники теории группового отбора утверждали, что птицы намеренно сдерживаются, чтобы колония не разрослась слишком сильно и не уничтожила все пищевые ресурсы. Они даже смерть рассматривали как результат группового отбора, который устраняет стариков и позволяет молодежи достаточно хорошо питаться, чтобы завести и вырастить потомство.

Некоторое время теория группового отбора была очень популярна. Начались даже разговоры о поведении, направленном «на благо вида». Однако к 1960–м гг. критики не оставили от этой теории камня на камне. Они указывали, что изменения, в том числе и полезные, при групповом отборе происходят очень медленно — гораздо медленнее, чем при действии естественного отбора на уровне отдельных особей (как, к примеру, при появлении обманщиков). Джордж Уильямс, эволюционный биолог из Университета штата Нью — Йорк в Стоуни — Брук, собрал и обобщил множество подобных аргументов. В своей вышедшей в 1966 г. книге «Адаптация и естественный отбор» (Adaptation and Natural Selection) Уильямс заявил, что аргументы сторонников группового отбора — всего лишь результат лености мысли. Если ученые не в состоянии понять, как может естественный отбор привести к появлению того или иного приспособления, то, скорее всего, они просто не дали себе труда как следует подумать над этим вопросом.

Уильямс заявил, что большинство фактов в биологии, какими бы загадочными они ни казались на первый взгляд, представляют собой результат действия жесткого естественного отбора на отдельные особи популяции. Возьмите, к примеру, косяк рыбы, который ведет себя в воде как единый сверхорганизм. Может показаться, что каждая особь здесь сотрудничает с остальными ради блага группы и делает все, чтобы косяк в целом смог уйти от хищников — даже если это означает, что особь, о которой идет речь, будет съедена. Уильямс же утверждал, что стайное поведение может возникнуть в результате стремления каждой отдельной рыбы увеличить свои шансы на выживание — забраться в центр косяка или пытаться угадать появление хищника по поведению остальных рыб.