Во время Великого наводнения 1927 года на Миссисипи, о котором я рассказывал в самом начале книги, мой дед, согласно его собственным воспоминаниям, первым заметил место, где дамба начала разрушаться – непосредственно перед тем, как наводнение затопило город. Дамба, рассказывал он, начала проседать прямо у него на глазах. В этой истории соседствуют правда и – почти несомненно – отступление от нее. Правда в том, что мой дедушка вполне мог заметить, как дамба дала трещину. Неправда в том, что с поднятием воды прорыв дамбы должен был случиться во многих местах, а не только там, где он заметил течь. В апофеозе разбушевавшаяся река оказалась намного мощнее заградительных сооружений. Дав слабину в одном месте, дамба поползла во многих местах сразу. Река в этой истории подобна самой жизни. Дамба – это наши попытки сдержать жизнь. А река, накатывающая на дамбу снова и снова и перехлестывающая через нее, – это жизнь, которая напоминает нам о своей силе и нашей слабости.

Я всегда вспоминаю о том историческом наводнении, когда думаю о деде. А еще память о давнем бедствии связана у меня с размышлениями об эксперименте, кратко упомянутом во введении. Этот опыт несколько лет назад провели Майкл Байм, Тэми Либерман и Рой Кишони в одной из лабораторий Гарвардского университета. Они втроем тогда разработали проект гигантской чашки Петри, которую назвали мегачашкой: приставка «мега» не только отсылала к необычным размерам лабораторной емкости, но и была сокращением от microbial evolution and growth arena (арена роста и эволюции микробов). Длина прямоугольной мегачашки составляла 120 см, ширина – 60 см, а глубина – 11 мм. Эксперимент с мегачашкой позволяет нам подробно и в реальном времени рассмотреть один из самых незыблемых законов биологии – закон эволюции путем естественного отбора. В самой простой формулировке он гласит, что предпочтение отдается генам и свойствам тех особей, которые успешно производят больше потомков по сравнению с остальными. Закон эволюции путем естественного отбора – дарвиновский закон: Дарвин представлял себе его действие довольно медленным, но теперь мы знаем, что оно может быть и ускоренным. Его последствия можно наблюдать в реальном времени – будь то в городе, человеческом организме или мегачашке.

Идею эксперимента отчасти подсказала кинореклама. В 2011 году студия Warner Brothers Canada придумала интересный рекламный трюк для продвижения фильма «Заражение» (Contagion): в витрине супермаркета установили огромную панель, на которой росли бактерии и грибы, постепенно складывающиеся в название фильма{154}. В сущности, эта панель стала прототипом гигантской чашки Петри. Кишони, увидев эту рекламу, воодушевился. В результате долгих разговоров и мозговых штурмов появилась столь же внушительная лабораторная чашка: Кишони демонстрировал ее своим студентам, а Либерман и Байм, которые тогда учились в аспирантуре, ассистировали ему. Подобно рекламной панели киношников, мегачашка содержала в себе послание. На то, чтобы явить его миру, потребовалось чуть больше времени, но менее очевидным оно от этого не стало.

Проект предполагал несколько раундов командной работы. Сначала весь коллектив совместно занимался планированием эксперимента. Потом Либерман впервые представила его на учебном курсе Кишони. Затем Байм усовершенствовал схему и запустил окончательную версию: залил агар, посеял микробы и принялся наблюдать за происходящим. Бесспорно, базовый дизайн мегачашки имел кое-что общее с рекламной панелью Warner Brothers, но и различия были весьма существенными. Прежде всего, агар в мегачашку заливали в два слоя: сначала шел твердый нижний слой, которым бактерии могли питаться, а над ним располагался жидкий верхний слой, в котором они могли плавать. Затем с обоих краев мегачашки в нее запустили штамм безвредных бактерий Escherichia coli (кишечная палочка). E. coli могли питаться агаром и потом передвигаться в те места, где питательные вещества еще не иссякли: образно говоря, у бактерий была возможность поесть и смыться, не заплатив. По-видимому, если бы в чашке Петри имелись другие виды бактерий, то E. coli не удалось бы разрастись – они проиграли бы в конкурентной борьбе. E. coli – полезный организм для лабораторных исследований, но это не самый живучий соперник, когда речь идет о столкновениях с другими обитателями человеческого кишечника. Впрочем, этот эксперимент не имел отношения к межвидовой конкуренции бактерий. Он был посвящен выяснению того, как эволюционирует устойчивость к антибиотикам.

Бактерии, выпущенные в мегачашку, не обладали резистентностью ни к каким антибиотикам. Они были уязвимы и беспомощны. Но, вероятно, ненадолго. Команда исследователей хотела выяснить, как скоро безвредные и слабые кишечные палочки смогут развить сопротивляемость к обычному антибиотику. Как быстро появятся и распространятся устойчивые мутанты – пусть даже ценой гибели остальных немутантных бактерий?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые решили добавить в мегачашку антибиотики. В варианте эксперимента, который был реализован Баймом после завершения курса Кишони, в качестве первого антибиотика выбрали триметоприм. Позже Байм повторил эксперимент с другим антибиотиком: им стал ципрофлоксацин. Антибиотики добавляли в мегачашку неравномерно, полосами. Идею полос предложила Либерман: она хотела создать для бактерий несколько уровней препятствий, один сложнее другого. В крайних полосках антибиотиков не было, но по мере продвижения от краев к середине их концентрация повышалась. В центральной полосе (равноудаленной от обоих краев) концентрация антибиотика была достаточно высокой, чтобы убить что угодно: она превышала смертельную для кишечной палочки в 3000 раз в случае с триметопримом и в 20 000 раз в случае с ципрофлоксацином. Именно это разделение экспериментального пространства на полосы напомнило мне реку Миссисипи близ Гринвилла. Полосы с антибиотиками – это дамбы, а центральная полоса – город Гринвилл или, если помыслить шире, все человечество, защищенное антибиотиками от реки бактерий-паразитов.

Рис. 10.1. Мегачашка, разработанная Майклом Баймом, Тэми Либерман и Роем Кишони.

Изображение: Нил Маккой, на основании более ранней версии Майкла Байма и соавторов

Бактериям-мутантам, пробирающимся к центральной полосе, сначала пришлось развить устойчивость к минимальной концентрации антибиотиков. Затем, чтобы справиться со следующим уровнем концентрации, им пришлось приобрести новые, дополнительные мутации. А потом им потребовалось повторять это снова и снова, наслаивая одни мутации на другие, пока обновляющийся набор генов не позволил им наконец добраться до центра чашки.

Рис. 10.2. Миссисипи и излучины, которые она проложила до того, как ее русло подправили и ограничили дамбами. Эту реку до сих пор, как и прежде, отличают непостоянство и изменчивость.

Карта: Гарольд Фиск, Инженерный корпус армии США, 1944. Опубликована в рамках геологического исследования аллювиальной долины Нижней Миссисипи

Эксперимент с мегачашкой стал современной классикой эволюционной биологии; отчасти так получилось из-за того, что он как нельзя лучше демонстрировал динамику эволюции. В книге «Клюв вьюрка», замечательно описывающей эволюционные исследования на Галапагосских островах, Джонатан Уинер писал:

Байм, Либерман и Кишони придумали и воспроизвели именно такие условия, обратив особое внимание на высказанные Уинером опасения по поводу смешивания и комбинирования.

В больницах и других местах, где часто применяются антибиотики, например на свиных и птичьих фермах, одним из путей, развивающих у бактерий устойчивость к ним, выступает обмен генами посредством своего рода «клеточной толкучки»; биологи называют такой обмен горизонтальным переносом. В ходе горизонтального переноса бактерии соединяются и обмениваются плазмидами – короткими кусочками генетического материала. Такое соединение может происходить даже между неродственными видами, которые так же далеки друг от друга, как коза и кувшинка. В результате этих спариваний появляются гибриды с новыми генами, способные выполнять новые задачи. Подобное соединение безостановочно происходит повсюду: прямо сейчас, пока вы это читаете, оно идет в вашем теле. Однако в начале эксперимента с мегачашкой его быть не могло. Ни у одной бактерии в эксперименте не было генов резистентности к триметоприму или ципрофлоксацину. Бактерии не могут обмениваться тем, чего у них нет.

Единственный путь, следуя которому бактерии в мегачашке могли выработать устойчивость, требовал случайных мутаций – таких изменений букв генетического кода, поколение за поколением, после которых какие-то из мутаций дали бы версии генов, позволяющие противостоять антибиотикам. У экземпляров с обновленными генами было бы намного больше шансов выжить в присутствии антибиотиков. Сама возможность этого походила на какое-то удивительное безумие, но на нем, собственно, и основана эволюция путем естественного отбора. Наш собственный геном эволюционировал (и эволюционирует) именно таким путем. Но он делал это очень и очень медленно.

На примере бактерий Байм, Либерман и Кишони надеялись увидеть стремительную эволюционную динамику, втиснутую в краткий временной интервал. У ученых были все основания допускать такую возможность. Для начала стоит вспомнить, что популяция бактерий в мегачашке была огромной: иначе говоря, даже притом что мутации у E. coli происходят редко (примерно одна на миллион делений), в мегачашке могло накопиться немало мутационных новаций. Кроме того, поколения E. coli в лаборатории сменяются примерно за 20 минут, позволяя естественному отбору вновь и вновь работать с полученными мутациями. Это означало, что чуть больше чем за сутки – за 31 час – Байм, который регулярно проверял мегачашку, мог наблюдать смену примерно 72 поколений, что сравнимо с изучением человеческой популяции на протяжении 2000 лет, начиная с Рождества Христова. За 10 дней перед ним могли пройти 7200 поколений, что было эквивалентно 20 000 лет у людей – периоду, начавшемуся с возникновения сельского хозяйства или даже еще раньше. Но, хотя 20 000 лет могут показаться значительным сроком, наш вид не претерпел за это время заметных изменений – ничего такого, что бросалось бы в глаза. С учетом сказанного сколько же времени могло потребоваться бактериям для выработки резистентности? Начиная опыты с мегачашкой, Байм, Либерман и Кишони предполагали, что на это уйдет месяц или больше – вплоть до года. Или же вообще несколько лет.

Однако вопреки ожиданиям времени потребовалось совсем немного. Результаты были видны очень хорошо, поскольку Байм подкрасил твердый агар в мегачашке черным цветом: на его фоне легко просматривалось, как делятся и распространяются белые E. coli.

В случае с триметопримом первую полосу мегачашки, в которой не было антибиотика, E. coli заполнили с легкостью. Они ели, опорожнялись и делились, затем переплывали дальше в поисках пищи и, заново повторив весь цикл, плыли дальше. Белые скопления их одноклеточных тел, что неудивительно, закрыли собой слой чернил. В это время, вероятно, появилось много мутантов, хотя никто из них не мог выжить в присутствии антибиотиков во второй полосе мегачашки. Пока экспериментаторы не наблюдали ни естественного отбора, ни спровоцированной им эволюции.

Но, вернувшись через несколько дней, Байм обнаружил несколько иную картину. Спустя примерно 88 часов появился первый мутант, способный выжить при минимальной концентрации антибиотика. В какой-то бактериальной клетке произошла необходимая для этого мутация. Потомство этой клетки стало стремительно заполнять вторую полосу на одной из сторон мегачашки. Оно превратило черные участки агара в белые. Затем на глазах у Байма во второй полосе независимым образом возникли другие мутанты. Едва появившись, они начали питаться, делиться и распространяться. В ускоренной перемотке бактерии, заполняющие вторую полосу и накрывающие черный агар, были похожи на бурлящую, вздымающуюся, пузырящуюся воду – на самое настоящее наводнение. Они демонстрировали ту же неумолимость и ту же силу, что и река.