Карл Циммер: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни.
В 1957 г. магистрант Мэтью Мезельсон и научный сотрудник доктор Фрэнк Сталь из Калифорнийского технологического института с помощью E. coli поставили эксперимент, который получил известность как самый красивый в биологии.
Мезельсон и Сталь поняли, что репликацию ДНК можно отследить, если выращивать E. coli на особой диете. E. coli для роста и размножения обязательно нужен азот, поскольку этот элемент входит в состав любого нуклеотида. Обычный атом азота содержит 14 протонов и 14 нейтронов, но существуют и другие, более легкие или более тяжелые изотопы азота, в которых нейтронов меньше или больше. Мезельсон и Сталь добавляли в питательную среду E. coli аммиак, содержащий тяжелый азот с 15 нейтронами в каждом атоме. Через некоторое время, когда у бактерии сменилось множество поколений, они извлекли и поместили в центрифугу немного ДНК. Измерив расстояние до точки, куда переместилась ДНК при вращении центрифуги, они вычислили ее массу и выяснили, что ДНК Е, coli, выращенной на тяжелом азоте, как и ожидалось, тяжелее ДНК нормальной E. coli.
Затем Мезельсон и Сталь провели тот же эксперимент чуть иначе. Они отделили немного E. coli с тяжелым азотом в колбу, где бактерии могли питаться нормальным азотом с 14 нейтронами в атоме. Дав бактерии совсем немного времени - всего на один цикл деления, - ученые извлекли ее ДНК и вновь поместили в центрифугу. Их целью была проверка теории Уотсона и Крика, которая давала на этот случай вполне четкие предсказания. Согласно этой теории при делении микроорганизмов внутри каждого из них тяжелые нити ДНК должны были разделиться и разойтись, а новые нити достраивались бы к ним уже из легких атомов. Таким образом, ДНК в новом поколении E. coli должна была получиться наполовину легкой, наполовину тяжелой - и образовать при центрифугировании полосу ровно посередине между тяжелой и легкой ДНК. Так и получилось.
В создании индивидуальности E. coli участвует также дополнительный механизм передачи наследственной информации. К части бактериальной ДНК присоединяются так называемые метильные группы. ДНК как бы покрывается этими молекулами, состоящими из атомов водорода и углерода, - метилируется. Метильные группы изменяют реакцию генов E. coli на внешние сигналы. Они способны заблокировать тот или иной ген, не повредив его, на все время жизни бактерии. При делении E. coli передает схему расположения метильных групп своим потомкам. Известно, однако, что при определенных условиях микроорганизм способен очистить свою ДНК от метильных групп и заменить их новыми в других местах; почему так происходит, ученые пока не знают.
Некоторые факторы, оказывающие влияние на E. coli, влияют и на человека. Наша ДНК тоже содержит метильные группы, и на протяжении жизни их расположение может меняться. Изменения могут быть чисто случайными, а могут определяться действием питательных веществ или токсинов. Так, даже если гены у однояйцевых близнецов изготовлены под копирку, то расположение метильных групп у них различается уже к моменту рождения и с годами разница лишь усиливается. Изменение схемы расположения метильных групп на хромосомах может сделать человека предрасположенным к раку и другим заболеваниям в большей или меньшей степени. Возможно, именно этим объясняется тот факт, что продолжительность жизни однояйцевых близнецов нередко сильно различается. Эти близнецы вовсе не одинаковы.
Кстати говоря, различное расположение метильных групп является одной из причин того, что клоны людей и животных не могут быть идеальными копиями оригинала. В 2002 г. техасские ученые сообщили о получении из генов трехцветной кошки по кличке Рейнбоу первого клонированного котенка - самочки, которую они назвали Сиси (точнее, Сс - условное обозначение поля «Копия» в электронной почте, где указываются дополнительные адреса). Однако Сиси оказалась совершенно не похожа на Рейнбоу. Если Рейнбоу отличалась белым окрасом с коричневыми, бежевыми и рыжими пятнами, то Сиси была белой в серую полоску. Рейнбоу робка, Сиси общительна. Рейнбоу склонна к полноте, Сиси худа и активна. Возможно, что эти различия объясняются иной схемой метилирования. И всплески производства тех или иных белков у них происходят по - разному. Сами молекулы, из которых они состоят, делают их не похожими друг на друга.
Индивидуальность E. coli должна послужить по меньшей мере предостережением для тех, кто готов свести природу человека к простому генетическому детерминизму. Живые организмы - не просто программы, задаваемые генами. Даже крошечным бактериям одинаковые гены и абсолютно идентичная генетическая структура могут подарить разную судьбу.
26 АВГУСТА 1883 Г. родился новый маленький мир. Островной вулкан Кракатау, расположенный в Зондском проливе между Явой и Суматрой, выбросил в воздух на 20 миль в высоту столб дыма и пепла. Камни превратились в пар, который с ревом мчался по проливу со скоростью едва ли не 500 км/ч. После извержения на месте, где находился конус вулкана, осталась подводная впадина и несколько безжизненных островков. Натуралист, посетивший один из островов девять месяцев спустя, написал, что единственным живым существом, которое ему удалось обнаружить на острове, был крохотный паучок.
Новые острова Кракатау лежат в сорока с лишним километрах от ближайшей суши, и жизни потребовался не один год, чтобы перебраться через водную преграду и вновь освоить эти земли. Сначала поверхность вулканического пепла затянула пленка сине - зеленых водорослей. Появились лишайники, мхи и папоротники. К концу XIX в. на островах образовалась саванна. Помимо пауков появились жуки, бабочки и даже вараны. Представители одних видов приплыли на острова, другие прилетели, а некоторых просто принесло ветром.
Биологические виды осваивались на островах вовсе не беспорядочно. Сначала появлялись выносливые первопроходцы, которые затем заменялись другими биологическими видами. Постепенно саванна уступила место лесам. Выросли кокосовые пальмы и фиговые деревья. После этого на острова уже могли переселяться орхидеи, инжирные наездники и другие привередливые виды. Первопоселенцы, такие как полосатая горлица, больше не находили себе места в пищевой цепи и в конце концов исчезли. Даже сегодня, 120 лет спустя после извержения, освоение Кракатау еще не закончилась. В будущем эта земля, возможно, будет готова принять бамбук, который произведет в ее экосистеме очередную революцию.
История Кракатау вполне соответствует общим экологическим правилам, которым жизнь следует везде, где появляются новые места обитания. Вулканические извержения опустошают острова. Оползни очищают от жизни горные склоны. Ледники тают, изменяя при этом береговую линию.
И рождаются дети. Для бактерий новорожденный ребенок - это настоящий Кракатау, ждущий своих колонизаторов. В момент рождения его тело почти полностью свободно от микроорганизмов, но в первые же несколько дней его заселяют E. coli и другие виды бактерий. Они образуют новую экосистему, которая будет жить и взрослеть вместе с ребенком, сопровождая человека на протяжении всей его жизни. Она также развивается во времени согласно собственным экологическим принципам.
Смерть приходит к каждому
Не так давно E. coli считалась бессмертной. Речь не шла о том, что бактерия как таковая неуязвима и не может умереть. Бактерии, разумеется, умирают, причем по самым разным причинам - любую из них может съесть хищное простейшее, она может погибнуть от отсутствия пищи в голодную пору или лопнуть, как наполненный водой воздушный шарик, из‑за колицина, повреждающего ее мембрану. Но десятки лет непрерывных наблюдений за E. coli убедили ученых в том, что смерть - вовсе не неизбежность. В благоприятных условиях E. coli способна вечно оставаться молодой. В этом заключалось по крайней мере одно фундаментальное отличие E. coli от человека. Человеческое тело стареет по достаточно жесткому расписанию. Чем дальше, тем больше вирусов и бактерий проникает в наше тело в обход иммунной системы, которая откровенно теряет бдительность. Мозг съеживается, кости становятся хрупкими, кожа обвисает…
В конце концов, в природе Уильямс видел множество примеров обратного. Некоторые двустворчатые моллюски могут жить до 400 лет. На другом конце шкалы находится лосось, который в расцвете сил возвращается к месту своего рождения, находит себе пару, заводит потомство - затем стареет с катастрофической скоростью и умирает. За несколько недель лосось стареет сильнее, чем человек за несколько десятилетий.
В 1950-е гг., будучи студентом - старшекурсником, Уильямс слышал объяснения преподавателей о том, что смерть благотворна для вида. Старые должны уступать дорогу молодым, иначе вид вымрет. Уильямсу еще тогда казалось, что это полная чепуха. Вместо этого он пытался понять, как естественный отбор на индивидуальном уровне может благоприятствовать старению. Уильямс утверждал, что старость может быть побочным эффектом действия тех генов, которые в юности обеспечивают организму преимущества. До тех пор пока преимущества этих генов перевешивают наносимый ими вред, естественный отбор будет способствовать их распространению. По иронии судьбы рак, снижение зрения, слабость и другие старческие болезни тоже могут быть результатом естественного отбора.
Уильямс утверждал, что любой организм в течение жизни не раз оказывается перед эволюционным выбором: к примеру, сколько энергии затратить на взросление и созревание, прежде чем обрести способность завести детей, или сколько вложить в воспитание отпрысков, прежде чем заняться поисками нового партнера. По идее, естественный отбор должен достичь какого‑то баланса интересов. Уильямс высказал предположение, что животные могут отслеживать изменение этих факторов на протяжении своей жизни и соответственно изменять свое поведение, подобно тому как инвестор решает, какие акции сохранить, а какие продать.
За последние 40 лет теория Уильямса развилась в настоящую науку о старении, причем науку экспериментальную. Сегодня ученые могут определить, какие виды стареют и почему. В 2005 г. ученые решили для примера (одного из сотен) исследовать нерку, которая ежегодно возвращается метать икру в речку Пик - Крик на Аляске. Эта лососевая рыба каждый год приплывает в родные края в июле и августе. После спаривания самка нерки сразу же выбирает место для откладывания икры и роет в галечном дне ямку для гнезда. Отложив в ямку икру, она прикрывает ее сверху и охраняет кладку от других самок, которые могли бы позариться на готовое гнездо и захватить его для собственных икринок.
Лосось из Пик - Крик впрямую сталкивается именно с тем выбором, о котором говорил Уильямс. Покидая океан, чтобы подняться по реке вверх к местам икрометания, рыбы полностью прекращают питаться. В результате имеющееся у них на тот момент ограниченное количество энергии они должны оптимально распределить и потратить на необходимые вещи, которые им предстоит сделать перед смертью. Самкам какое‑то количество энергии придется пустить на развитие репродуктивной системы - ведь необходимо будет сформировать и отложить икру. Часть энергии уйдет на поддержание тела, чтобы можно было прожить достаточно долго и успеть защитить свою кладку от других лососей. Конец известен: кончится энергия, кончится и жизнь.
Исходя из эволюционной логики, ученые предсказали, что лососи, пришедшие в Пик - Крик в начале сезона, проживут дольше, чем те, кто придет позже. Самке, которая успеет отметать икру в июле, придется несколько недель сражаться за то, чтобы отложенные икринки остались целы и невредимы. Если такая рыбина вложит всю энергию в икринки и погибнет рано, другие лососи захватят приготовленное ей гнездо, и ее генов не будет в следующем поколении лососей. С другой стороны, если приплывшая позже вложит всю энергию в долгую жизнь, такая трата окажется напрасной - рыбина останется жить, когда остальные погибнут и охранять кладку будет не от кого. Иными словами, опаздывающим следует вкладывать энергию в производство дополнительных икринок, а долгая жизнь им ни к чему.
Когда исследователи сравнили продолжительность жизни лососей, прибывших в районы нереста в разное время, их предсказания вполне оправдались. Те, кто приплыл раньше, прожили в речке в среднем по 26 дней, тогда как припоздавшие - всего по двенадцать. Первые разделили энергию между икринками и собственным телом примерно поровну, а последние потратили на формирование икринок - яиц примерно вдвое больше энергии, чем на поддержание жизни собственного тела.
Предсказания Уильямса работают не только для лососей, но и для плодовых мушек, уксусных нематод, рыбок гуппи, лебедей, людей и многих других видов живых существ. Однако до недавнего времени специалисты по старению считали, что к E. coli все вышесказанное не относится. Казалось, что для нее выбора между долгой жизнью и продолжением рода попросту не существует. У E. coli нет детей и родителей. Отдельная E. coli просто копирует собственную ДНК и делится надвое; возникает две новые особи. Родитель превращается в собственных потомков. Голод может замедлить деление бактерии, а химическое оружие или другие поражающие факторы - попросту убить. Но, если бактерию оставить в покое и снабжать достаточным количеством пищи, она будет размножаться до бесконечности, и каждый новый микроб будет таким же здоровым, как его предки.
По крайней мере так думали ученые, пока Эрик Стюарт - микробиолог, работающий в настоящее время в Северо - Восточном университете, не решил повнимательнее присмотреться к давно знакомой E. coli. Вместе с коллегами он соорудил что‑то вроде рая для E. coli - какой мог бы появиться в воспаленном воображении какой - ни- будь бактерии. Ученые поместили одиночный микроорганизм на покрытую агаром пластинку, прикрыли ее сверху стеклом и запечатали боковые швы силиконовым герметиком. Выбранная для эксперимента бактерия была носителем светоизлучающего гена, что делало наблюдение за ней через верхнее стекло простым и удобным. Пластинку установили под микроскопом, а весь аппарат поместили в бокс с температурой, соответствующей температуре кишечника здорового человека.
Счастливая E. coli питалась и делилась. Ее потомки распределились по пластинке слоем толщиной в одну бактерию. Через определенные временные интервалы камера, установленная на микроскопе, автоматически делала снимок светящейся колонии. Сравнивая последовательные изображения, Стюарт мог проследить судьбу любой веточки подопытной династии E. coli. Он мог определить, сколько времени потребовалось на деление каждой бактерии, а затем двум ее отпрыскам, а затем четырем внукам… Считая, что все бактерии генетически одинаковы и живут в одинаковых идеальных для роста условиях, можно было бы предположить, что и расти они будут с одинаковой скоростью. Однако экспериментальные данные этого не подтвердили. Некоторые особи росли заметно медленнее своих «братьев», а со временем их потомки все сильнее отставали в росте.
Некоторые бактерии, как обнаружил Стюарт, старели. Каждый раз при делении E. coli выстраивает себе кольцо на талии, и это кольцо постепенно стягивается и делит клетку пополам. Одновременно она производит две новые крышечки, назначение которых - прикрыть концы дочерних клеток. Те при делении тоже образуют новые крышечки. Через несколько поколений у одних бактерий оказываются старые кончики, а у других - новые. Числа на диаграмме показывают, сколько поколений назад была создана соответствующая крышечка.
Стюарт обнаружил, что, чем старее крышечки на бактерии, тем медленнее она растет. Он смог проследить за жизнью своих бактерий на протяжении всего лишь семи поколений, но, согласно его оценке, деление стареющих E. coli замедляется достаточно быстро, а через сто поколений вообще прекращается.
Для объяснения полученных данных вновь может пригодиться волшебное кольцо Уильямса - Гамильтона. Должно быть, старение дает E. coli какие‑то эволюционные преимущества по сравнению с бессмертием. Возможно, все дело в том неизбежном ущербе, который со временем терпит любая бактерия. Белки изменяют форму, гены мутируют. При делении бактерия может либо передать все поврежденные белки и гены одному из потомков, либо поделить их на двоих. От поколения к поколению изменения накапливаются и ложатся на «плечи» новых бактерий тяжким грузом. Разумеется, E. coli способна исправить повреждения - и, кстати говоря, многое исправляет. Ремонтные работы, однако, тоже имеют свою цену. Бактерии приходится тратить на это много энергии и питательных веществ. Но если она потратит все ресурсы на ремонт, то непременно проиграет в конкурентной борьбе какой‑нибудь другой, менее обремененной губительным наследием особи.
Существует и другой способ бороться с накоплением дефектов - их всех можно сбросить в одно место. У E. coli такими свалками служат полюса клетки. Бактерия почти не тратит сил на ремонт сложенного на полюсах, и при делении каждому из потомков достается один старый полюс с накопленными повреждениями и один новый, только что сформировавшийся с противоположной стороны. Поколения меняются, и со временем некоторые полюса становятся очень старыми и, как полагают ученые, накапливают в себе множество поврежденных белков. E. coli, утверждает Стюарт, вместо того чтобы стремиться к совершенству, делает из своих полюсов настоящие свалки. Весь этот мусор достается одному из ее потомков, зато другой рождается свободным от груза прошлого и может спокойно размножаться.
Так исчезло то, что прежде казалось серьезным нарушением правила Жака Моно. Мы вновь видим у E. coli такую же стратегию, какую используем сами. Когда из оплодотворенной человеческой яйцеклетки начинает развиваться зародыш, в нем очень скоро выделяются два типа клеток: клетки, которые в принципе способны дать начало новому человеку (яйцеклетки и сперматозоиды), и все остальные. Мы тратим огромное количество энергии на защиту яйцеклеток и сперматозоидов от разрушительного действия времени и гораздо меньше на защиту остальных клеток нашего тела. Этот бессознательный выбор позволяет нашим отпрыскам продолжать жить после нашей смерти. И человек, и E. coli за привилегию прожить жизнь должны расплатиться смертью.