Щоб повернути собі рухливість, якої їх позбавили, бактерії скористалися генами, які досі використовували для зовсім інших речей.
В еволюційній теорії є кілька великих питань, які досі викликають суперечки. Наприклад, як відбуваються великі еволюційні зміни: поступово, за рахунок невеликих кроків - або ж швидко, великим стрибком? Ця проблема стосується як появи складних структур, так і видоутворення: чи є якісь проміжні форми у складного органу, чи є плавний перехід до нового виду, або ж масштабні зміни можуть відбуватися разом і швидко? Інше питання стосується передбачуваності еволюції: чи можна дізнатися, в якому напрямку буде розвиватися вигляд? Вважається, що шлях розвитку визначається випадково, і не обов'язково кінцевий результат буде оптимальним - тобто організм не обов'язково набуде найвдалішої адаптації.
Робота дослідників з Університету Редінга багато в чому відповідає на обидва запитання. Експеримент, який ліг в основу всього дослідження, вийшов випадково, в результаті недбалості: початковою метою було подивитися, як на ґрунтових бактерій Pseudomonas fluorescens вплине мутація, що позбавляє їх джгутиків. P. fluorescens можуть жити як у воді, так і в ґрунті, де вони вступають в симбіоз з корінням рослин, стимулюючи їх зростання і захищаючи від патогенів. Формування джгутиків, за допомогою яких бактерії переміщуються, відбувається у них завдяки кільком генам, серед яких є один, званий fleQ. Він кодує транскрипційний фактор - білок, необхідний для активності всіх інших джгутикових генів. Бактерії, позбавлені fleQ, повинні були перестати рухатися, що повинно було позначитися на їх здатності колонізувати коріння.
Однак «повічних» бактерій залишили в живильному середовищі довше, ніж передбачалося - і, коли на них знову подивилися, виявилося, що P. fluorescens плавають, як ні в чому не бувало. Більш того, як пишуть автори роботи в Science, рухливість знайшли не один, а відразу кілька експериментальних штамів: всі вони починали плавати спочатку повільно, а потім все швидше. І молекулярно-генетичні зміни у них були схожі. Порівнявши геноми поки ще «повільних» бактерій і тих, хто вже навчився плавати швидко, Роберт Джексон (Robert Jackson) і його колеги побачили, що у перших накопичуються мутації в ділянках ДНК, які прямо або побічно стимулюють синтез білка NtrC, тоді як у «швидких» штамів мутації були вже безпосередньо в гені Ntrc.
Ген NtrC бере участь у регуляції азотного обміну. Чому ж мутації в ньому були потрібні у зв'язку з відсутніми джгутиками? Тому що у білка NtrC і білка FleQ - транскрипційного фактора, що управляє «джгутиковими» генами - амінокислотні послідовності схожі на 30%. В силу схожості обидва вони в якійсь мірі могли б виконувати функції один одного. Дійсно, якщо рівень «азотного» білка NtrC в результаті мутацій зростав, на це трохи відгукувалися гени джгутикового блоку. Якщо ж мутація потрапляла в сам NtrC, вона могла підвищити його спорідненість до послідовностей ДНК, які служили включниками для FleQ-регульованих генів - і до бактерій поверталися втрачені джгутики. Правда, в результаті страждала регуляція азотного обміну, якою вихідно займався NtrC, проте, мабуть, переваги рухомого життя того коштували. (Слід також зауважити, що в таких випадках на допомогу часто приходить подвоєння гена: якщо у того ж NtrC з'явиться копія, то один з варіантів може займатися азотним обміном, а інший - джгутиками.)
Як бачимо, тут у нас без будь-яких проміжних форм відбулася велика морфологічна зміна, причому різні штами скористалися одним і тим же способом, щоб повернути здатність рухатися - тобто еволюція частково продемонструвала передбачуваність, скориставшись кілька разів одним і тим же рішенням. Причому весь процес зайняв всього чотири дні. Однак варто тільки уважніше розглянути молекулярно-генетичну складову морфологічного стрибка, щоб зрозуміти, що чогось іншого чекати, напевно, і не варто: всі складові для утворення джгутиків у бактерій вже були, потрібно лише знайти нового генетичного «менеджера», а найбільш вірогідною кандидатурою серед генів виявився той, кому найпростіше було змінити «поле діяльності». Враховуючи швидкість розмноження бактерій, не варто дивуватися, що на «управлінську революцію» у них пішло так мало часу. Крім того, вони перебували під потужним тиском середовища: рухливість для бактерій була надто важливою особливістю, щоб з цим можна було тягнути час. Іншими словами, поточні умови проживання сильно сприяли відбору саме тих мутацій, які б могли повернути джгутики на місце.
Звичайно, можна сказати, що ситуація була штучною, у бактерій-де спеціально вирізали ген-регулятор, а інші гени, необхідні для джгутиків, у бактерій вже були зібрані. Але, з одного боку, ген цілком міг стати неробочим в результаті якоїсь мутації, з іншого боку, великі еволюційні стрибки можуть виходити за рахунок того, що вже наявні гени починають працювати в інший час і в іншій послідовності - що, в свою чергу, можна забезпечити не дуже великими управлінськими модифікаціями.
З загальнобіологічної точки зору отримані результати ілюструють деякі міркування в теорії еволюції, які досі спиралися лише на здогадки, або на дуже непрямі дані. Ну, а якщо хтось захоче, щоб йому пред'явили більш очевидну практичну користь з таких ось еволюційних експериментів, то тут можна згадати про інфекційні хвороби і про ракові клітини. І ті, і інші з часом стають стійкими до ліків - тому, чим більше ми будемо знати про шляхи еволюції, тим швидше, можливо, зможемо остаточно позбутися як стійких інфекцій, так і стійких пухлин.