Случайность, эволюция и кишечные палочки

Какую роль случайность играет в нашей жизни?

Сторонники “детерминизма” считают, что каждому событию, явлению или процессу предшествует определенная причина. Случайности не случайны.

Такой подход лежит в основе классической физики. Если у нас есть данные о первоначальном состоянии системы, всегда можно предсказать, как она изменится со временем. Достаточно знать законы физики.

Стройная концепция детерминизма пошатнулась с открытием квантовой механики в первой четверти XX века. В 1920 году немецкий физик Вернер Гейзенберг открыл принцип неопределенности и доказал, что “невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость (импульс) квантовой частицы”. То есть, случайности все-таки случайны. Подробнее о том, как принцип неопределенности победил Демона Лапласа можно почитать здесь.

Но, какова роль случая в эволюции и человеческой истории? На этот вопрос решил ответить биолог Ричард Ленски, запустив самый необычный эксперимент в истории.

В 1988 году Ленски взял 12 одинаковых колб и заселил туда штаммы кишечной палочки (Escherichia coli) от общего предка.

12 популяций развиваются в абсолютно одинаковых условиях. Бактерии плавают в одном цитрате (лимонная кислота) и питаются глюкозой. Удалось исключить из уравнения эволюции изменения окружающей среды, хищников и даже сексуальную жизнь (для размножения бактерии просто делятся).

Если роль случая не слишком велика, в 12 колбах будут лишь незначительные изменения. И наоборот, если случай “правит бал”, то эволюция бактерий в каждой из колоний может пойти уникальным путем.

Каждая из колоний в 12 колбах стремительно размножается, пока не иссякают запасы глюкозы. Наступает период голода. В конце дня, Ленски отбирал сотню счастливчиков и пересаживал в другую колбу. Небольшая горстка Escherichia coli переезжала в “глюкозный Эльдорадо” и цикл начинался заново.

А еще у Ленски есть машина времени и он может в любой момент “откатить” все изменения в каждой популяции. Как Вам такое? Escherichia coli может быть заморожена без вреда для “здоровья”. Каждые 500 поколений исследователи делают “контрольную точку” в каждой из колоний.

Ричард стал свидетелем того, как 75 тыс. поколений escherichia coli сменили друг друга. Один день в мире этих бактерий равен 178 годам человеческой истории. За все время эксперимента прошло примерно 2 миллиона лет человеческой истории.

Теория Дарвина считает, что если в данной среде произойдет мутация, которая позволит эффективнее всего перерабатывать глюкозу, то бактерии - мутанты получат преимущество. Такие кишечные палочки будут размножаться быстрее обычных. И скоро займут большую часть популяции. В новую колбу такие бактерии попадут в повышенной пропорции.

Во всех 12 поколениях бактерии мутанты очень скоро полностью заменили своих предков, которые хуже перерабатывали глюкозу. Каждая популяция выработала свой уникальный набор мутаций. Несмотря на это, колонии не сильно отличались друг от друга.

Все изменилось в январе 2003 года…

Январским утром ассистент Ленски обнаружил, что в одной из 12 колб цитрат, в котором плавали бактерии помутнел. Ученые решили, что предположили, что в колбу попало что-то из внешнего мира. Благодаря своей машине времени они “откатили” популяцию на несколько поколений назад.

Через несколько дней цитрат в этой колбе снова стал мутным. Оказалось, что бактерии в этой колбе научились переваривать цитрат, в котором плавали. Это произошло через 30 тысяч поколений после начала эксперимента и только в одном поколении из 12.

Вообще-то Escherichia coli не питается цитратом. В 20 веке был зарегистрирован только один аналогичный случай. Зачем вообще есть цитрат? Все сводится к преимуществу, которое дает подобная мутация. Бактерии в колбе существенно расширяют свой рацион и их количество неуклонно растет.

Ученые пришли к выводу, что поедание цитрата - это результат не единичной мутации. Используя “контрольные точки” исследователи стали изучать ДНК кишечной палочки. Через 3 года и 40 триллионов клеток удалось полностью отследить процесс появления цитратного метаболизма.

Escherichia coli в 12-ой колбе претерпели четыре последовательные мутации, каждая из которых не давала популяции никаких преимуществ. Их можно было бы назвать ошибками, если бы не одно “но”... Пятая и последняя мутация “наложилась” на существующую последовательность и позволила бактериям поедать цитрат.

Возможность питаться цитратом - это не просто редкая мутация. Это результат стечения уникальных обстоятельств. Апофеоз случайности.

Эксперимент Ленски продолжается. Поколения кишечных палочек продолжают сменять друг друга под светом лабораторных ламп. Эволюция в режиме реального времени.

Escherichia coli уже показали, что случай имеет на нашу жизнь гораздо большее значение, чем мы могли себе представить.

Подписывайтесь, чтобы не пропускать новые публикации.

Еще больше экономики и котиков в Телеграмме