Веронике, нашему живому чуду CARL ZIMMER MICROCOSM E. coli and the New Science ofLife Pantheon Books, New York КАРЛ ЦИММЕР МИКРОКОСМ E. coli и новая наука о жизни Москва 2013 УДК 579.6 ББК 28.4 Ц61 Переводчик Наталья Лисова Научный редактор Александр Марков, доктор биологических наук Редактор Мария Несмеянова Циммер К. Ц61 Микрокосм: E. coli и новая наука о жизни / Карл Циммер; Пер. с англ. — М.: Альпина нон-фикшн, 2013. — 394 с. ISBN 978-5-91671-269-8 E. coli, или кишечная палочка, — микроорганизм, с которым мы сталкиваемся практически ежедневно, но который при этом является одним из важнейших инструментов биологической науки. С ним связа- ны многие крупнейшие события в истории биологии, от открытия ДНК до новейших достижений генной инженерии. E. coli — самое изученное живое существо на Земле. Интересно, что E. coli — общественный микроб. Автор проводит удивительные и тревожные параллели между жизнью E. coli и нашей собственной жизнью. Он показывает, как этот микроорганизм меняется практически на глазах исследователей, раскрывая перед их изумлен- ным взором миллиарды лет эволюции, закодированные в его геноме. УДК 579.6 ББК 28.4 Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия» Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 г. Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — поддержка фундамен- тальной науки и образования в России, популяризация науки и просве- щение. В рамках программы по популяризации науки Фондом запуще- но несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также про- ект «Библиотека  «Династии» — издание современных научно-популярных книг, тщательно отобранных экспертами-учеными. Книга, которую вы дер- жите в руках, выпущена в рамках этого проекта. Более подробную инфор- мацию о Фонде «Династия» вы найдете по адресу www.dynastyfdn.ru. Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память ЭВМ для частного или публичного исполь- зования, без письменного разрешения владельца авторских прав. По вопросу организации доступа к электронной библиотеке издательства обращайтесь по адресу [email protected]. © Carl Zimmer, 2008 ISBN 978-5-91671-269-8 (рус.) © Издание на русском языке, перевод, оформление. ISBN 978-0-307-27686-5 (англ.) ООО «Альпина нон-фикшн», 2013 CОДЕРЖАНИЕ Глава 1. Росчерк жизни . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 Глава 2. E. сoli и слон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 Глава 3. Система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58 Глава 4. Путеводитель наблюдателя за E. сoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 Глава 5. Вечный поток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 Глава 6. Смерть и доброта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143 Глава 7. Дарвин в аптеке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173 Глава 8. Открытый код . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202 Глава 9. Палимпсест . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 Глава 10. Играющая природа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .280 Глава 11. N равно единице? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343 Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .356 Библиография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .358 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379 Глава 1 РОСЧЕРК ЖИЗНИ Я ДЕРЖУ В РУКАХ прозрачную круглую ко- робочку и смотрю в окно. Всюду жизнь: двор зарос овсяницей и клевером, зверо- бой тянет листочки к солнцу и прима- нивает цветками жужжащих шмелей. Рыжий кот притаился под кустом сирени и, задрав го- лову, выслеживает зазевавшегося щегла. В небе летают снежные цапли и чайки. Нагло выглядывают из травы поганки и весёлки. У них есть общая черта, отличающая их от валунов и водопадов, катеров и канцелярских кно- пок, — они живые. Нам-то понятно, что эти объекты живые, но совершен- но не очевидно, что значит быть живыми для них самих. Как все молекулы в теле снежной цапли умудряются работать согласованно и поддерживать жизнь птицы? Хороший вопрос, особенно с учетом того факта, что уче- ные на данный момент расшифровали лишь несколько коротких участков ДНК снежной цапли. Большинство встречающихся на Земле видов живых существ таят та- кие же загадки. Даже о себе мы знаем не так уж много. Да, сегодня мы можем прочесть весь геном человека, все 3,5 млрд пар нуклеотидов ДНК , с помощью которых запи- сан «рецепт изготовления» Homo sapiens. В этом генетиче- ском фолианте ученым удалось идентифицировать около 18 000 генов, каждый из которых кодирует один из бел- ков  — строительных материалов нашего тела. При этом ученые не имеют представления о том, для чего нужна 8 МИКРОКОСМ добрая треть упомянутых генов, и слабо понимают на- значение большинства остальных. Мало того, наше не- вежество простирается гораздо дальше этих загадочных генов. Ведь гены, кодирующие белки, составляют всего лишь около 2% человеческого генома. Остальные девяно- сто восемь — практически неисследованная территория. На всей планете есть лишь несколько видов живых существ, представляющих собой исключение из этого правила. Крупнейшее из исключений живет в круглой пластиковой коробочке, которую я держу в руках. Сама коробочка — чашка Петри  — кажется совершенно без- жизненной по сравнению с биологическим буйством за окном. На обратной стороне крышки видны несколь- ко капелек воды. На дне чашки находится слой агара  — плотного серого студня, изготовленного из водорослей с добавлением сахара и других веществ. На поверхности агара можно разглядеть цепочку бледно-золотистых то- чек, словно след кисти художника-пуантилиста. В каждой из этих точек — миллионы бактерий. Все они принадле- жат к виду, который ученые интенсивно изучали в тече- ние столетия и теперь понимают лучше, чем практически любой другой вид на Земле. Именно этот вид стал моим проводником в жизнь  — экспертом, способным рассказать о том, чем живые организмы отличаются от безжизнен- ной материи, о принципах, которым подчиняются все жи- вые существа, будь то бактерия, снежная цапля или лю- бопытный человек. Я переворачиваю коробочку. На дне, на кусочке пластыря, надпись: E. coli K-12 (штамм Р1). Я стал обладателем чашки Петри с кишечной палоч- кой Escherichia coli во время посещения Лабораторий Осборна  — похожего на крепость здания на территории Йельского университета . На четвертом его этаже распо- лагается лаборатория, заставленная инкубаторами с не- Глава 1. Росчерк жизни 9 аппетитным содержимым и бутылями, наполненными мутной жидкостью. Аспирантка Надя Моралес надела перчатки лилового цвета и поставила на лаборатор- ный стол две чашки Петри — одну стерильную, другую с мутной кашицей, кишащей E. coli. Она взяла специаль- ную петлю — изогнутую проволочку на пластмассовой ручке — и сунула ее в пламя газовой горелки. Петля за- светилась оранжевым. Моралес вынула ее из пламени, дала остыть, а затем погрузила в кашицу. Открыв пустую чашку, она мазнула капелькой кашицы по стерильному агару  — будто подпись поставила. После этого девушка тщательно закрыла крышку чашки и проклеила стык пластырем. — Вероятно, первые колонии вы увидите завтра, — сказала она, подавая мне чашку. — А через несколько дней она завоняет. Казалось, аспирантка дала мне философский камень. Очень скоро в безжизненном агаре моей чашки Петри за- кипели невиданные химические процессы. Старые моле- кулы распадались на части и соединялись в совершенно иных сочетаниях. Из воздуха в чашке исчезали молекулы кислорода, вместо них появлялся углекислый газ и ка- пельки воды на крышке. Все пространство чашки было за- воевано жизнью. Если бы у меня был микроскоп, я мог бы все это время наблюдать, как сотни E. coli, подаренных мне Моралес , передвигались по чашке, питались и росли. По форме каждая из них напоминает микроскопическую подводную лодку, защищенную оболочкой из липидов и полисахаридов. За ней тянутся похожие на пропеллеры хвостики, вращающиеся с частотой несколько сотен раз в секунду. Бактерия построена из десятков миллионов молекул, которые, сталкиваясь и взаимодействуя друг с другом, обеспечивают ее рост. E. coli, доросшая до до- 10 МИКРОКОСМ статочной длины, делится ровно пополам. Делясь снова и снова, она дает начало миниатюрной династии; именно эти династии, набрав численность, становятся видимыми как золотистые точки. Из этих точек складывается след живого росчерка аспирантки Моралес. Если вам прежде доводилось слышать о кишечной палочке E. coli только в новостях, где речь шла о пище- вых отравлениях, то выбор именно этого микроорга- низма в проводники к тайнам жизни может показаться странным. Бесспорно, среди эшерихий есть и смертельно опасные штаммы . Но большая их часть совершенно без- обидна. Примерно сотня миллиардов E. coli мирно живет в моем кишечнике, еще сотня миллиардов — в вашем; они во множестве населяют организм практически любого теплокровного животного на Земле. Их можно встретить в реках и озерах, в лесах и городских дворах. Помимо этого E. coli обитает в тысячах лабораторий, где ее разво- дят в бутылях с пенящимся содержимым и размазывают по чашкам Петри . В начале XX в. ученые, стремясь познать природу жизни , начали исследовать безвредные штаммы E. coli. И кое-кому из них уже в конце первого десятилетия пришлось съездить в Стокгольм за Нобелевскими пре- миями , присужденными за эти работы. Позже новые поколения ученых пытались разобраться в устройстве E. coli. Они тщательно изучили бо льшую часть из четырех с чем-то тысяч генов этого микроорганизма и открыли новые законы жизни. Именно на примере E. coli мы начинаем понимать, как гены согласованно работают, поддерживая жизнь, и как жизнь попирает стремление Вселенной к беспо- рядку и хаосу. E. coli — одноклеточный микроорганизм и как таковой имеет на первый взгляд мало общего