Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
Шрифт:
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
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 кого-нибудь, 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 что-то 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
Глава 6. Смерть и доброта
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 что-то 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 когда-нибудь от лиц, изучающих микроскопическую жизнь стоячих вод, о фактах бессознательной взаимной поддержки даже среди мельчайших микроорганизмов» [19] .
19
Кропоткин П. А. Взаимная помощь среди животных и людей как двигатель прогресса. — М: Либроком, 2011. — Прим. ред.
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.