Эксперимент с кишечной палочкой

Многие ученые утверждают, что современному человеку законы Дарвина уже не указ. Мы выпали из эволюции. Благодаря современным технологиям стали настолько независимы от природы, что нам не надо больше приспосабливаться к ее капризам. А раз так, то человек остановился в своем развитии. Словом, Дарвину с его законом отбора пора дать отставку.

Оппоненты не согласны, считают, что эволюция человека не только продолжается, но и ускоряется. Хотя бы потому, что стремительно идет миграция. При такой перетасовке генов появятся новые мутации, которые будут помогать человеку приспосабливаться к быстроменяющейся жизни. Закон Дарвина продолжает действовать, но в новых условиях. Новый аспект в этот спор внесли эксперименты американского ученого Ричарда Ленски на 12 популяциях бактерий кишечной палочки. Ценность опытов в том, что они длятся уже 30 лет, за это время сменилось более 60 тысяч поколений бактерий, которые жили в одинаковых условиях, питаясь только глюкозой. Хотя условия эксперимента предельно просты, многие его результаты удивили ученых. Они были уверены, что бактерии довольно быстро приспособятся к условиям жизни, появятся новые мутации, а затем для них наступит "вечность". Кстати, это слово складывал герой сказки Андерсена в снежном королевстве, где жизнь остановилась раз и навсегда. Однако все пошло иначе. Ожидавшейся стабильности не было и в помине, мутации продолжали появляться. Более того, популяции эволюционировали, стали быстрей расти, их клетки увеличивались по сравнению с предками. Но самое интересное, что практически каждая из 12 популяций нашла свой уникальный путь совершенствования. А одна вообще научилась поедать не только глюкозу, но и вещество цитрат. Ранее его не было в меню бактерии. "Эволюция оказалась умней, чем мы", - подвел итог один из авторов исследования.

- Получилась очень красивая модель эволюции жизни на Земле, - сказала корреспонденту "РГ" доктор биологических наук из Института общей генетики РАН Светлана Боринская. - Казалось бы, палочки полностью адаптировались к питательному бульону. Все для них повторяется, приспосабливаться больше не к чему. Эволюция для должна закончиться. Но нет, ребята, рано успокоились. Потому что рядом живут собратья, и они самим своим существованием, а конкретно продуктами своей жизнедеятельности, меняют среду. И теперь уже к ней надо приспосабливаться. А значит, создавать новую среду, адаптироваться уже к ней, совершенствоваться. И так до бесконечности. Словом, эволюции нет конца.

А что же человек? О завершении его эволюции не может быть и речи, считает Боринская. Ведь он интенсивно воздействует на природу, на что она отвечает многими вызовами, в частности, новыми болезнями, изменением климата и т.д. Мы вынуждены к этому приспосабливаться, а значит, появляются новые мутации. Но человек не только меняет природную среду, он создает новый ареал обитания, к нему надо адаптироваться так же, как и к изменениям климата или рациона питания. Если раньше люди отбирались по способности голодать, переносить жару или холод, то сейчас, к примеру, отбор может идти по способности сидеть с утра до вечера в офисе, "переваривать" вал информации и т.д. Хотя сам механизм адаптации тот же, что и миллионы лет назад, но есть одно но. В древности среда и условия жизни менялись очень медленно, десятки, а то и сотни тысяч лет, сегодня это происходит стремительно. Что ставит перед человеком новые задачи, которых доселе не знала эволюция. Он должен находить ответы на вызовы, которые ставит сам себе.

Как самый долгий биологический эксперимент породил новое существо

Долговременный эксперимент по эволюции E.coli — попытка ученых в экспериментальных условиях наблюдать эволюционные процессы. Может возникнуть вопрос, почему для этих нужд ученые использовали именно кишечную палочку, а не собаку или лошадь? Одна из причин в том, что E.coli очень быстро размножается. Другая особенность, делающая бактерию удобной для исследований, — небольшой размер генома, который позволяет достаточно быстро определить, какие мутации возникают в генах со сменой поколений. Кроме того, E.coli можно без вреда для нее заморозить на длительное время.

Материалы по теме

Долговременный эксперимент по эволюции E.coli оказался удобной платформой для того, чтобы решить данную проблему. Ученые под руководством Ричарда Ленски проанализировали полные геномы 264 клонов из 12 популяций, в которых, в конечном итоге, сменилось 50 тысяч поколений. Предварительные результаты продемонстрировали, что приспособленность микроорганизмов, которая определяется как скорость роста популяции, увеличилась на 70 процентов по сравнению с той, что была у предкового штамма.

Молекулярные биологи расшифровали геномы кишечных палочек, принадлежащих поколениям 500, 1000, 1500, 2000, 5000, 10 000, 15 000, 20 000, 30 000, 40 000, 50 000, с помощью метода секвенирования нового поколения. Всего было найдено более 14 тысяч мутаций, которые привели к потере 1,4 процента общего генома. При этом на половину популяций (Ara−1, Ara−2, Ara−3, Ara−4, Ara+3 и Ara+6) приходилось 96,5 процента точечных мутаций (мутаций, затрагивающих один нуклеотид). Это объясняется тем, что некоторые изменения в генах привели к нарушению процессов восстановления поврежденной ДНК, в результате чего скорость мутирования у этих штаммов значительно повысилась. Склонность к мутациям также придавали IS-элементы (Insertion Sequence) — короткие фрагменты ДНК, которые способны перемещаться и размножаться внутри генома, не выполняя никакую полезную функцию. Например, в популяции Ara+1 31,8 процента мутаций представляли собой вставки IS-элементов, а у популяции Ara−5 (поколение 30 000) доля этого же типа мутации достигала 38,7 процента.

Ученые отмечают, что склонность к генетическим изменениям лишь незначительно повышала приспособляемость организма, поскольку в то же время увеличивалось число не только полезных, но и вредных мутаций. В гипермутированных E.coli отличить полезные генетические изменения от моря остальных мутаций (нейтральных и негативных) становится очень затруднительно. Поэтому исследователи обратили свое внимание на популяции, где скорость генетических изменений осталась на предковом уровне. На основе данных они построили модель зависимости между временем и числом полезных мутаций, которая позволяла точно предсказать уровень приспособленности у микроорганизмов из поколения 50 000. Чтобы снизить влияние статистической неопределенности, биологи обратились к дополнительным доказательствам.

Во-первых, так как нейтральные мутации не оказывают никакого влияния на приспособляемость, на них не действует естественный отбор, поэтому скорость их накопления должна быть сравнима с общей частотой мутаций. К таким генетическим изменениям, в частности, относят синонимичные замены, при которых изменение одного нуклеотида в гене на другой не приводит к замене аминокислоты в белке. Ученые рассчитали, во сколько раз несинонимичные мутации накапливаются быстрее, чем синонимичные. Результаты показали, что после 500-го поколения скорость была больше в 17,1 раза, а после 50 000-го — в 3,4 раза. Это говорит о том, что большинство несинонимичных мутаций были полезными и повышали приспособляемость организмов.

Исследователи также выяснили, что большинство мутаций, произошедших в ранних поколениях, были драйверными и оказывались полезными для кишечной палочки. С течением времени их доля снижалась, однако они не пропадали полностью.

Авторы статьи подчеркивают, что штаммы E. coli, участвующие в долговременном эксперименте, могут отличаться от многих природных популяций в важных аспектах, включая низкую частоту мутаций, отсутствие полового размножения и стабильные условия окружающей среды. Эффекты, которые могут накладывать неучтенные факторы на скорость накопления различных видов мутаций, должны быть учтены в будущих экспериментах.

Рис. 1. Ход молекулярной эволюции в 12 популяциях кишечной палочки. Показаны изменения частоты встречаемости всех зарегистрированных новых мутаций. По горизонтальной оси — время в поколениях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Но главное открытие, сделанное авторами, состоит не в этом. Эволюционная динамика, отображенная на рис. 1, не вписывается в простейшую модель, согласно которой адаптивная эволюция монокультуры бесполых организмов в стабильных условиях сводится к последовательной фиксации отбором вновь возникающих полезных мутаций.

Статистическая обработка данных, приведенных на рис. 1, показала, что эта простейшая модель не может объяснить наблюдаемую картину даже с учетом таких осложняющих обстоятельств, как генетический автостоп и клональная интерференция (конкуренция между клонами бактерий с разными полезными мутациями; см.: Clonal interference). Например, многие мутации, достигнув некоторой частоты, вдруг перестают распространяться, то есть двигаться дальше в сторону фиксации (таков естественный ход событий, если клон с данной мутацией имеет более высокую приспособленность, чем другие бактерии в популяции). Но эти клоны и не вымирают, проиграв конкуренцию клонам с более удачными мутациями. Вместо этого частота мутации начинает колебаться вокруг какого-то уровня. Эти колебания могут продолжаться десятки тысяч поколений, причем уровень, вокруг которого происходят колебания, может со временем меняться.

Метагеномные данные, полученные для каждой из 1440 проб, представляют собой множество отсеквенированных кусочков ДНК, принадлежащих разным индивидам. Поэтому нельзя сразу понять, какие мутации относятся к одному и тому же клону, а какие — к разным. Однако авторам удалось разобраться в этом, проанализировав согласованность изменения частот мутаций во времени (поскольку частоты мутаций, находящихся в одном и том же геноме, меняются синхронно). В итоге выяснилось, что по крайней мере в девяти из двенадцати подопытных популяций в течение длительного времени (свыше 10 000 поколений) имело место устойчивое сосуществование как минимум двух клад (эволюционных линий). Внутри этих клад шли свои собственные эволюционные процессы, то есть появлялись и фиксировались различные мутации (рис. 3).

Это значит, что в большинстве подопытных популяций произошла экологическая диверсификация. Разные клады как-то поделили между собой экологические ниши и стали устойчиво сосуществовать, приспосабливаясь теперь уже не к изначально заданным стабильным условиям среды, а к специфическому и переменчивому биотическому окружению.

Данное явление ранее было обнаружено в одной из двенадцати популяций (Ara-2). Две клады, сосуществующие в этой популяции, имеют разный обмен веществ и используют к своей выгоде продукты жизнедеятельности другой клады. Устойчивое сосуществование обеспечивается частотно-зависимым балансирующим отбором. Это значит, что относительная приспособленность клады тем выше, чем ниже ее численность (J. Plucain et al., 2014. Epistasis and allele specificity in the emergence of a stable polymorphism in Escherichia coli). Новые данные показали, что аналогичная ситуация сложилась как минимум в девяти из двенадцати популяций. Таким образом, экологическая диверсификация — не случайный эпизод, а общая закономерность.

Статистический анализ распределения мутаций во времени показал, что в одних генах мутации преимущественно фиксировались в начале эксперимента (на ранних этапах адаптации), тогда как в других генах мутации начали фиксироваться лишь на поздних этапах. Это объясняется тремя причинами, причем все три, по мнению авторов, реально работают в ходе эксперимента (строго доказать это пока нельзя, но есть косвенные статистические аргументы в пользу реальности всех трех причин).

Таким образом, долгосрочный эволюционный эксперимент опроверг чрезмерно упрощенные представления о том, как должна идти адаптация бесполой популяции к стабильным условиям среды. Ничего похожего на замедление и остановку адаптивной эволюции по мере приближения к оптимуму (пику на ландшафте приспособленности) не наблюдается, запас потенциально полезных мутаций не исчерпывается, и даже темп их накопления практически не снижается. Вместо этого мы видим самопроизвольное усложнение эволюционирующего сообщества, которое из монокультуры превращается в экосистему с подразделенными нишами и коэволюционирующими кладами и явно не собирается в обозримом будущем переходить в состояние эволюционного стазиса. Так что Лесли Оргел был, конечно, прав насчет того, кто умнее — эволюция или теоретики, считающие, что всё про нее знают.

Главная ≫ Инфотека ≫ Биология ≫ Объект, который всегда с тобой / Жертвы науки

Комментарии: 1

В середине 40-х годов группа молодых американских учёных, интересовавшихся природой гена, решила сконцентрировать усилия на работе с кишечной палочкой и её фагами. И тогда оказалось, что генетика у бактерий есть, да ещё какая! Перед исследователями открылось великое разнообразие природных генетических процессов, которые потом обнаружили и у более сложно устроенных эукариот. Короче говоря, практически всю молекулярную генетику сделали на кишечной палочке и её фагах. Подробнее об этом не стоит, ибо, как сказал Козьма Прутков, никто не обнимет необъятного. Желающие могут раскрыть любой учебник молекулярной генетики: почти на каждой странице кишечная палочка будет помянута в связи с каким-нибудь экспериментом. А мы поговорим о самой бактерии.

Пожалуй, это самая изученная клетка на планете. Её латинское название Escherichia coli (E.coli) в переводе означает эшерихия кишечная и связано с местом обитания бактерии (она живёт в нижнем отделе кишечника теплокровных) и именем открывшего её Теодора Эшериха. Но обычно её так не называют, а именуют на лабораторном жаргоне е-коли, кишпалкой или же совсем фамильярно — коляшкой. Коляшкины клетки прямые, размером примерно 1 на 3 мкм, объём одной бактерии составляет 2×10 –12 мл, но вмещает она многое. Во-первых, кольцевую молекулу ДНК, которая в тысячу раз длиннее самой клетки и, следовательно, очень плотно упакована. Молекула эта содержит столько генов, сколько необходимо для синтеза 4000 разных белков. Поступлений РНК от этих генов ожидают около 15 000 рибосом. Свой немалый геном кишечная палочка воспроизводит каждые 20 минут, ошибаясь с частотой 10 –8 –10 –10 . Это надо суметь: воспроизводиться так точно и с такой скоростью! Есть в клетках и плазмиды — свободноплавающие, не связанные с большой кольцевой хромосомой колечки ДНК, изучение которых привело к важнейшим достижениям в области биохимии и генной инженерии. Снаружи кишпалку защищает клеточная стенка, покрытая слизистой капсулой. Сквозь капсулу торчат короткие, похожие на волоски структуры, называемые пилями, — функция их пока не совсем понятна. Клетки некоторых штаммов перемещаются с помощью длинных жёстких жгутиков, играющих роль пропеллеров.

Как видите, кишечная палочка достаточно сложно устроена и предоставляет учёному богатое поле для работы и уникальные возможности. Некоторые штаммы E.coli словно специально созданы для лабораторных исследований. Хотя бактерия и обитает в кишечнике человека — среде, богатой органическими компонентами, её пищевые потребности относительно скромны: несколько простых солей и глюкоза, из которых она синтезирует около 5000 необходимых ей соединений. Кишпалка спор не образует, делится каждые 20 мин и при благоприятных условиях вырастает в жидкой среде до концентрации 2–5×10 9 клеток на миллилитр, а из плотной суспензии бактерий можно выделять разные вещества в количествах, достаточных даже для биотехнологических целей. На твёрдой поверхности бактерии образуют десятки тысяч колоний, которые можно быстро проанализировать с помощью специальных сред, красителей и антибиотиков (для сравнения заметим, что рассмотреть тысячи дрозофил одному человеку в короткий срок практически нереально), а это даёт возможность изучать очень редкие генетические события.

Но есть, конечно, и неудобства. Одно из них — явственно ощутимый дурной запах. Дело в том, что кишечные палочки синтезируют индол. Это вещество образуется и в кишечнике при гниении белков. Вместе с другим соединением, скатолом, оно обусловливает характерный запах фекалий. В чистом виде и малой концентрации индол содержится в цветах жасмина и апельсина, сообщая им чудесный аромат. А кишечная палочка индола образует много и пахнет соответственно, хотя лабораторные штаммы кишечника не видали отродясь.

В конце 70-х стало ясно, что в клетках Е.coli можно размножить и заставить работать почти любой эукариотический ген, главное — иметь этот ген. Тогда и расцвело пышным цветом клонирование ДНК. Учёные внедряли в кишечную палочку гены бактерий, грибов, насекомых, растений, животных и даже человека, так что палочка стала своеобразным символом генетического единства мира. Тогда же её стали называть живой пробиркой.

Когда генная инженерия делала первые шаги, обстановка вокруг неё была слегка паническая — генетически модифицированных объектов боялись. Хотя лабораторные штаммы для человека безвредны, кто знает, во что превратится кишпалка с чужим геном внутри. Так появились специальные штаммы, не способные существовать вне лаборатории: с тонкой стенкой, которая лопается при низкой концентрации солей, и нуждающиеся в некоторых веществах, которых они не найдут в окружающей среде и сами синтезировать не могут. Кстати, тонкая бактериальная стенка не только служит гарантией общественной безопасности, но и облегчает выделение клонированной ДНК или синтезированного белка.

03 февраля 2020

Герой февраля: кишечная палочка Escherichia coli

Скромная бактерия за полстолетия с момента ее открытия в конце XIX в. стала настоящей волшебной палочкой для молекулярной биологии. Сейчас результаты опытов с ее использованием занимают главы и тома профессиональных и популярных изданий. Конечно, в нашем путеводителе по модельным организмам E. coli должна была занять свое почетное место.

Двенадцать модельных организмов

Escherichia и Eschrichtius — Болезнь путешественников — Главная модельная бактерия — Учебник молекулярной генетики — Невезение с CRISPR/Cas

Рисунок 1а. Escherichia длиной 2 мкм

Рисунок 1б. Теодор Эшерих (1857–1911)

Рисунок 1в. Eschrichtius длиной 14 метров

Рисунок 1г. Даниэль Фредрик Эшрихт (1798–1863)

Клетки с относительно тонкой клеточной стенкой, не окрашивающиеся красителем генцианом фиолетовым (окраской бактерий по методу датского микробиолога Кристиана Грама).

Зачем же такую опасную бактерию сделали модельной? Дело в том, что в условиях культивирования кишечная палочка часто теряет патогенность, становится неспособной жить в естественных для себя условиях (то есть одомашнивается). И этим свойством в 1940-е годы воспользовались микробиологи, проведя с лабораторными штаммами E. coli (например, со знаменитым штаммом К12) много прорывных для науки экспериментов.

Так, манипулируя мутированными штаммами кишечной палочки, которые уже научились получать при помощи облучения, Джошуа Ледерберг и Эдуард Лаури Тейтем в 1947 году обнаружили способность разных штаммов обмениваться генетическим материалом и спасать друг друга от образовавшихся дефектов, проявлявшихся в неспособности расти на минимальной питательной среде. Так был открыт процесс конъюгации бактерий, который затем послужил важным инструментом для картирования бактериального генома . Ведь тогда это можно было делать только косвенными, микробиологическими методами — сама природа генетического кода была неизвестна.

Кстати, Джошуа Ледерберг был некоторое время мужем Эстер Ледерберг, первооткрывательницы бактериофага лямбда [3].

С начала 1950-х годов исследования по молекулярной генетике с использованием кишечной палочки и ее вирусов в качестве основного инструмента росли как снежный ком. Не будет преувеличением сказать, что к 70-м годам E. coli написала учебник молекулярной генетики! Вспомним открытие генетического кода, в котором участвовало несколько коллективов физиков и молекулярных биологов, в том числе Френсис Крик, Георгий Гамов и другие выдающиеся люди того времени [6]. Основные эксперименты по расшифровке кода велись на бесклеточных лизатах кишечной палочки.

Позднее обнаружилось, что E. coli хорошо подходит для зародившейся в 1960–1970-е годы биотехнологии [7]. Бактерия хорошо переносит введение в свою клетку гетерологичных (то есть чужеродных) генов и во многих случаях способна синтезировать их продукты без вреда для себя. Белки, полученные таким способом, стали называть рекомбинантными, и теперь они широко используются в медицине и других практических задачах.

Кишечная палочка — возможно, самый исследованный организм с точки зрения молекулярной биологии. Тем не менее у элементов ее генома до сих пор обнаруживают новые свойства. Это одновременно плохо (как же мало мы знаем!) и хорошо (будет чем заняться!). Совсем недавно на защите диссертации я услышал о том, как у одной из генных кассет эшерихии, участвующей в каскаде переработки сульфолипидов, также обнаружена и лактазная активность [8]. До этого такая активность была известна только у знаменитого лактозного оперона Жакоба и Моно, описанного в 1961 году!

Кажется, что E. coli — модельный организм без недостатков. Тем не менее биотехнологам не повезло, что у этой бактерии от природы нет системы бактериального иммунитета CRISPR/Cas [9], о которой я уже упоминал в эссе о бактериофаге лямбда [3]. Именно поэтому эту систему, ныне незаменимую в генной инженерии, открыли относительно поздно.

Кишечная палочка-выручалочка — это здорово (рис. 2). Но теперь пора переместиться в мир ядерных организмов. Удобным инструментом для молекулярной биологии и генетики эукариот оказались одноклеточные грибы — дрожжи — и гаплоидный плесневый гриб — нейроспора. Как они дошли до такой одноклеточной и гаплоидной жизни и что было открыто с их помощью — читайте в следующем материале нашего путеводителя по модельным организмам через месяц.

Благодарность

Фото: The University of Queensland

Пять лет назад группа микробиологов приступила к эксперименту, на завершение которого потребуется в 100 раз больше времени. Что толкает ученых на опыты, которым суждено пережить своих авторов, и какие трудности им приходится преодолевать, рассказывается в материале The Atlantic

В 2514 году некий ученый придет в Эдинбургский университет, откроет деревянную коробку и разобьет набор стеклянных пузырьков, чтобы вырастить хранящиеся в них 500-летние высушенные бактерии. Но только при условии, что к тому времени университет, коробка, да и наука в каком-либо виде все еще будут существовать, эксперимент не подвергнется забвению, а инструкции по его проведению не претерпят изменений. Через 500 лет Чарльз Кокелл из Эдинбургского университета, придумавший многовековой опыт с соавторами из Германии и США, давно будет мертв. Он с коллегами так и не узнает ответов на вопросы о долговечности бактерий, поставленные еще в 2014-м.

Впрочем, возникли они немного раньше. Однажды Кокелл на 10 лет забыл высохшую чашку Петри с бактериями Chroococcidiopsis, а когда она попалась ему на глаза, обнаружил, что клетки все еще жизнеспособны. И это не единственный случай "оживления" микроорганизмов. Ранее ученым удавалось проделать такой трюк с бактериями из 118-летних мясных консервов, а также из янтаря и кристаллов соли, возраст которых составляет миллионы лет.

По словам одного из авторов эксперимента, микробиолога из Германского центра авиации и космонавтики Ральфа Меллера, все это указывает на то, что "жизнь на нашей планете не ограничена человеческими стандартами". Однако понимание подлинного значения этого требует работы, которая выходит далеко за рамки человеческой жизни.

Привет на 500 лет

500-летний эксперимент включает 800 простых стеклянных флаконов, в которых содержится либо Chroococcidiopsis, либо другая бактерия, Bacillus subtilis. Емкости герметично запаяны, половина из них экранирована свинцом для защиты от радиации или космических лучей, которые могут повредить ДНК. Кроме того, существует дублирующий набор флаконов, который хранится в Музее естествознания в Лондоне.

Авторы 500-летнего эксперимента не могут доверить инструкции ни цифровым носителям, ни бумаге

Каждые два года в течение первых 24 лет, а затем раз в четверть века на протяжении следующих 475 лет ученые должны будут вскрывать емкости и проверять высушенные бактерии на жизнеспособность и целостность ДНК.

Сама по себе процедура не сложна: открыть флаконы, добавить воду и подсчитать численность колоний, которые вырастут из регидратированных бактерий. Куда сложнее сделать так, чтобы кто-то продолжал делать это в будущем, придерживаясь намеченного графика. Для этого авторы исследования оставили USB-флешку с инструкциями. Но цифровые технологии устаревают довольно быстро, так что вдобавок к этому была оставлена и бумажная копия. "Но подумайте, что станет с бумагой за 500 лет, – говорит Меллер. – Она пожелтеет и станет ломкой. Может, нам стоит вырезать это в камне? Или на металлической пластине?". Но что, если придет кто-то, не умеющий читать, и решит взять ее в качестве блестящей реликвии, как это в свое время делали расхитители древних гробниц?

500 лет – слишком долгий срок, и, вероятно, что ни одна стратегия не будет полностью надежной. Посему исследователи просят, чтобы каждые 25 лет ученые копировали инструкции, поддерживая их лингвистическую и технологическую актуальность.

Капля за каплей

Меллер и его коллеги – одни из самых амбициозных ученых, планировавших долгосрочный эксперимент, но были и другие. В 1927 году физик Томас Парнелл налил смоляной пек в воронку и ждал, пока высоковязкое вещество медленно стекало. После смерти Парнелла эксперимент, демонстрирующий свойства данной субстанции, опекали его коллеги, прилежно фиксировавшие каждую каплю. Сегодня оборудование, оставленное Парнеллом, хранится в Квинслендском университете (на фото выше). Последняя, 9-я за все время капля, упала в апреле 2014-го. В следующий раз такое произойдет только в 2020-х.

В биологии растений также есть несколько долгосрочных исследований. В загородном поместье в Англии ученые анализируют, как различные удобрения влияют на конкретные культуры, выращиваемые на одних и тех же полях с 1843 года. В Иллинойсе агрономы проводят исследование по селекции кукурузы с 1896 года. Ботаник из Университета штата Мичиган в 1879 году закопал 20 стеклянных бутылок по 50 семян, которые нужно регулярно выкапывать и проверять на жизнеспособность. Расположение бутылок держится в секрете, чтобы предотвратить вмешательство. Последняя будет выкопана в 2020 году.

Эксперимент Томаса Парнелла пережил самого физика более чем на 70 лет

Университет штата Мичиган также проводит эксперимент с кишечной палочкой (E. coli), который может длиться веками. С февраля 1988 года лаборатория микробиолога Ричарда Ленски наблюдает, как кишечная палочка приобретает мутации и эволюционирует на протяжении поколений. На данный момент прошло уже 70 500 генераций. Поскольку E. coli размножается чрезвычайно быстро, это все равно, что наблюдать эволюцию на гиперскорости.

Изначально Ленски не задумывался о далеком будущем своего эксперимента, полагая, что он продлится несколько лет. В какой-то момент, когда он решил, что собрал все возможные данные, то решил свернуть опыт. Но всякий раз, когда он сообщал об этом намерении коллегам, они призывали Ленски не делать этого. "Это заставило меня понять, что люди ценят его за долговечность и за возможность сюрпризов", – отмечает ученый.

В 2003-м году его лаборатория сделала удивительное открытие. У кишечной палочки внезапно появилась способность питаться молекулами цитрата. Изучив предыдущие поколения, которые лаборатория замораживала и архивировала, аспирант Ленски смог восстановить серию мутаций, которые постепенно привели к этому.

Каждый день кто-то в лаборатории Ленски переносит кишечную палочку в новую колбу, используя стеклянную тару того же типа и ту же питательную среду, как и все последние 30 лет. За это время развивались не только бактерии, но и методы их исследований (теперь, например, ученые могут секвенировать весь геном кишечной палочки), и они продолжат совершенствоваться. Теперь Ленски смотрит в будущее – он уже выбрал ученого, которому завещает эксперимент, когда уйдет на пенсию.

Инвестиции в будущее

"Конечно, для продолжения подобного эксперимента, я полагаю, наука в будущем должна выглядеть примерно так же, как сегодня, в том смысле, что должны существовать университеты, профессора с лабораториями и так далее, – говорит Ленски. – Однако, если заглянуть в не столь отдаленное прошлое, ситуация обстояла несколько иначе". Всего несколько сотен лет назад деньги на научные исследования давали в основном богатые покровители, а не государственные учреждения.

Долгосрочные исследования должны подкрепляться долей оптимизма

Эксперимент Ленски финансируется государством, но он понимает, что этот источник может быть ненадежным, особенно если общественная поддержка науки ослабеет. В идеале ученый хотел бы создать фонд пожертвований, и даже подготовил математические расчеты: фонд в размере $2,5 млн обеспечил бы доход в размере около $100 тыс. в год, что должно покрыть расходы на материалы и зарплату технического специалиста, который будет ежедневно работать над экспериментом.

500-летний микробиологический эксперимент требует меньших затрат, поскольку для его проведения нужно привлекать исследователя раз в 25 лет. Но для этого нужно, чтобы люди помнили, стремились заниматься наукой и располагали соответствующими ресурсами.

Опыт начался в 2014-м году, до того, как некоторые мировые события заставили всех осознать, что сотрудничество между Великобританией, Германией и США, возможно, не следует воспринимать как должное. Следовательно, планирование столь долгоиграющей работы требует определенного оптимизма по поводу стабильности нашего нынешнего мира.

Однако на сей счет у Меллера есть ответ. Представьте, какие цели перед собой ставил самый первый исследователь. "Что находится за холмом? Что находится за рекой? Что находится за океаном? Наше любопытство всегда оптимистично", - говорит он. Ученый полагает, что наши устремления в неизвестность неизбежно сопряжены с оптимизмом.

Читайте также:

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!
При симпотмах заболевания - обратитесь к врачу.