Сьогодні тільки неосвічена людина заперечуватиме концепцію еволюційного розвитку життя на Землі. Але американським ученим лише фактів виявилося недостатньо – їм потрібно на весь голос крикнути: «Товариші! Всесвітня еволюція відбулася!». І вони зробили маленьку еволюцію в лабораторних умовах.
Під прапором дарвінізму
Напевно, ще ніколи так не трусило науковий світ, як у епохальному 1859 році. Відомий нам усім із підручників англійський учений Чарльз Дарвін опублікував свою думку щодо механізмів розвитку життя на Землі – еволюції та природного добору. Ефект від опублікованої праці сягнув таких меж, що навіть дами з вищого світу вважали останнім криком моди обговорювати нову теорію на прийомах. Звичайно, у своїй роботі Дарвін не міг передбачити всього, адже навіть закони генетики стали відомі лише у 1900 році, тому сучасна теорія еволюційного вчення дуже змінена й доповнена. Хоча наукова спільнота вже давно визнала феномен еволюції, механізм, за допомогою якого відбувається процес, є гострим і суперечливим питанням. Більшість зібраних доказів еволюції є непрямі, адже еволюція – це такий тривалий процес, що спостерігати його за одне життя дуже важко. Але за багато життів можливо.
Від цього відштовхувалися вчені з Державного університету штату Мічиган під керівництвом доктора Річарда Ленскі. Група Ленскі спробувала відтворити еволюцію в пробірці. В цьому їм допомогла звичайнісінька бактерія – кишкова паличка Escherichia coli (E.coli). Ця бактерія здавна є улюбленицею мікробіологів, адже вона одноклітинна за будовою, кожні 20 хвилин розмоножується поділом на дві дочірні клітини та не потребує дорогих «продуктів харчування».
44 тисячі поколінь – за 20 років
Дослід розпочали з одного мікроорганізму. Помістивши кишкову паличку на поживне середовище, вчені дочекалися, поки вона розмножиться, й відібрали 12 дочірніх колоній. Кожну таку колонію науковці посадили рости в окрему посудину з поживним середовищем. За джерело енергії для мікробів вибрали глюкозу, яку додавали лише вранці в дуже малій кількості – якраз, щоб вистачило до обіду. Решту дня й ніч бактерії голодували. Наступного ранку науковці відбирали невелику кількість зголодні лих мікроорганізмів з усіх 12-ти пробірок і переносили в нові 12 пробірок із глюкозою, якої знову ж таки вистачало тільки до обіду. Спираючись на те, що вчені вже знають про механізми еволюції, Ленскі очікував, що мікроорганізми у пробірці із часом мутуватимуть. Більшість мутацій будуть шкідливими й зумовлять смерть бактерій, деякі мутації взагалі не матимуть помітного впливу на організм, а де-які призведуть до формування нового різновиду кишкової палички, що виживатиме за умов голоду краще, ніж предки і згодом повністю витіснить своїх менш пристосованих родичів.
Експеримент розпочався 1988 року. «Спочатку я думав, що це буде десь кілька тисяч поколінь, – згадує Ленскі. – Але дослід усе ще триває й залишається дуже цікавим». За 20 років науковці отримали більше 44 00 поколінь, з яких кожну 500-ту генерацію заморозили в кельвінаторі – спеціальному холодильнику з наднизькою температурою. За таких умов зберігання кожний зразок із мікробами за потреби можна розморозити й повторити дослідження з будь-якої точки або ж віддати мікроби на аналіз.
Бактерія змінила харч
З часом дослідники побачили, що наступні покоління мікробів усе суттєвіше відрізняються від своїх предків. Вони почали рости на 75% швидше й побільшали.
Через 33 127 поколінь науковці помітили, що в одній пробірці відбуваються дивні речі – вона стала мутного кольору. Таке спостерігається, коли в пробірці ростуть мікроорганізми, які живляться не глюкозою, а цитратом, що є в поживному для бактерій середовищі. Але за умов, відтворених у лабораторії Ленскі, таке живлення не притаманне кишковій паличці! Тож спочатку дослідники вважали це випадковим забрудненням пробірки, верталися на покоління назад і повторювали крок. Але згодом переконалися – кишкова паличка самотужки «навчилася жувати» цитрат.
У працях про спосіб життя бактерій описано кілька дослідів, де кишкова паличка вживала цитрат як джерело енергії. Однак для цього їй необхідне спеціальне утворення – плазміда. Це кільцева молекула ДНК, що кодує відсутні у палички ферменти для переварювання цитрату. Таку плазміду вводили до E.coli штучно, взявши її в інших мікроорганізмів. Але Ленскі не робив нічого подібного! Його мікроби перебували в стерильних умовах, не піддавалися жодній штучній маніпуляції й не мали плазміди. Отже, бактерії еволюціонували самі і, як наслідок, набули здатності переварювати цитрат.
Гра життя на молекулярному рівні
Треба було з’ясувати, коли це сталося. Дослідники повернулися до заморожених зразків, щоб віднайти відповідь і врешті-решт дісталися 31 500 покоління, де кількість цитрат-споживаючих клітин становила 0,5% популяції. Через 1000 поколінь кількість таких мікробів зросла до 19%, а потім вони майже зникли у поколінні 33 000. Але вже через 120 поколінь нові кишкові палички почали домінувати над своїми попередниками. Такі коливання чисельності яскраво демонструють, як поступово відбувається процес еволюції. Очевидно, що здатність їсти цитрат не є результатом одиничної мутації. Перші мутовані бактерії, які отримали здатність живитися цитратом, все ще не могли конкурувати зі своїми немутантними родичами й були ними майже витіснені. Але через деякий час відбулася додаткова мутація або навіть декілька, що зробило їхніх власників домінантними.
«Спостерігати гру життя на мо- лекулярному рівні – велике задоволення, – коментує експеримент Бернард Палссон із Каліфорнійського університету. – Ці досліди яскраво підтверджують еволюційну теорію й тому ми у настільки піднесеному настрої від результатів». Варто також згадати, що експеримент проводили в 12-ти паралелях. Хоча лише в одній пробірці відбулася карколомна зміна, тенденції еволюціонування спостерігалися в усіх паралелях – прискорення росту мікробів і збільшення їх розмірів.
Наступне завдання - гени
Надихнувшись результатами групи Ленскі, дослідники з інших лабораторій почали посилено вивчати еволюцію мікробів у пробірках. І не тільки мікробів. Тривають досліди з найпримітивнішими організмами – вірусами й набагато складнішими за мікроби дріжджами.
А перед науковцями під керівництвом Ленскі нині постало складніше й триваліше завдання – визначити, в яких генах кишкової палички відбулися мутації. Дослідники сповнені ентузіазму, адже вони вперше у світі зуміли яскраво й беззаперечно продемонструвати еволюцію в дії.
