Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Игровые автоматы и штемпельные подушечки

Игровые автоматы и штемпельные подушечки

Однажды вечером в 1942 г. в городке Блумингтоне (штат Индиана) в баре сидел беженец — итальянец и дразнил приятеля, мучившего игровой автомат.

Беженца звали Сальвадор Лурия. Еще на родине, в Турине, он начал учиться на врача, но после знакомства с вирусами и бактериями решил отказаться от медицинской карьеры в пользу научной. Во время Второй мировой войны он бежал из Италии в Париж, где поступил на работу в Институт Пастера и начал вместе с французскими коллегами изучать E. coli и ее вирусы. Когда германская армия подошла к Парижу, Лурия вновь бежал, на этот раз в Нью — Йорк. В США молодой человек встретился со своим научным кумиром Максом Дельбрюком, и они начали работать вместе. Ученые исследовали жизненный цикл вирусов — бактериофагов, паразитирующих на E. coli. Они сотрудничали с учеными, имевшими изобретенный незадолго до этого электронный микроскоп, при помощи которого можно было проследить, как именно эти существа проникают в будущего хозяина. В течение нескольких лет Лурия и Дельбрюк пытались разобраться в том, как E. coli умудряется выстоять в столкновениях с эпидемиями, которые насылают на нее ученые.

В типичном микробиологическом эксперименте исследователи добавляют в чашку с бактериями вирусы, и бактерии очень быстро пропадают из виду. Но вирусам не удается уничтожить все бактерии. Уже через несколько часов из уцелевших бактерий вновь возникают видимые колонии. Все E. coli в новых колониях оказываются резистентными к вирусу; если пересадить их в новую чашку Петри, а затем подвергнуть действию того же вируса, их потомки также проявят резистентность.

Глядя на такое поведение бактерий, многие микробиологи поневоле обратились к неоламаркизму. E. coli реагировала на вирусы точно так же, как в представлении Ламарка прибрежные птицы реагировали на болотистую почву. Угроза заражения заставляла их обзаводиться средствами защиты, которые они затем передавали потомству. Результаты других экспериментов на первый взгляд тоже укладывались в эту схему. Если ученые предлагали E. coli в качестве источника питания лактозу вместо глюкозы, бактерия начинала производить фермент, необходимый для расщепления лактозы, — и ее потомки тоже производили этот фермент. Был еще один фактор, заставлявший многих микробиологов обращаться к неоламаркизму: на тот момент практически ничего не говорило о том, что у бактерий есть гены. По мнению многих микробиологов, бактерии вроде E. coli представляли собой всего лишь мешочки с ферментами и другими химическими веществами, способные реагировать на изменения окружающей среды.

Но были микробиологи, которые думали иначе. Они утверждали, что у бактерий есть гены, которые, как и у животных, способны к спонтанным мутациям. В некоторых случаях мутация может по чистой случайности дать бактерии преимущество — к примеру, сделать ее резистентной к какому?нибудь вирусу. При таком подходе получалось, что E. coli подчиняется законам Дарвина, а не Ламарка.

Никто прежде не проверял истинность этих альтернативных вариантов. Лурия и Дельбрюк потратили не один месяц, пытаясь придумать надежный способ проверки. Им удалось сделать это лишь в 1942 г., когда Лурия принял предложение о работе в Университете Индианы, «в таком месте, о котором я никогда раньше не слышал», как он сам позже написал. Вскоре после этого Лурия и оказался в Блумингтонском баре рядом с другим таким же профессором, увлекшимся борьбой с игровым автоматом. Профессор проигрывал, а в ответ на подначки Лурии совсем бросил игру.

«Именно тогда я впервые задумался о цифровых закономерностях игровых автоматов», — писал позже Лурия в своей автобиографии.

Автомат, в который играл тот профессор, был запрограммирован на выдачу всего лишь нескольких крупных выигрышей. В принципе, его можно было настроить и иначе. Можно было сделать так, чтобы автомат с небольшой вероятностью показывал выигрыш при каждом повороте ручки. В этом случае вместо одного крупного игроки получали бы намного больше выигрышей, но каждый из выигрышей был бы намного меньше. Внезапно Лурия понял, как можно провести эксперимент с резистентностью E. coli, чтобы достоверно определить, кто прав: Дарвин или Ламарк.

На следующий день Лурия стал готовить колбы с бактериями. В каждой колбе содержалась популяция, начало которой дали всего лишь несколько сотен микроорганизмов. Поскольку резистентных бактерий чрезвычайно мало — примерно одна на миллион, можно было сделать вывод, что все родоначальники популяций во всех колбах почти наверняка беззащитны перед вирусом. Резистентность к вирусу могла проявиться лишь после того, как популяция существенно выросла.

Популяции некоторое время росли, а потом Лурия взял из каждой колбы немного бактерий и рассадил их по чашкам Петри с заранее помещенными туда вирусами. Он ждал эпидемий, а затем возникновения резистентных колоний E. coli.

По Ламарку, живые существа, сталкиваясь с жизненными невзгодами, приобретали новые качества, а затем передавали их потомству. Если бы E. coli подчинялась законам Ламарка, бактерии должны были приобрести резистентность уже после того, как Лурия подверг их действию вирусов. Это означало бы, что после подсаживания в заселенную вирусами чашку у всех бактерий были равные, хотя и небольшие, шансы развить у себя резистентность. В этом случае Лурия через некоторое время должен был обнаружить в каждой чашке несколько резистентных колоний. Тогда эксперимент напоминал бы игровой автомат, достаточно часто выдающий небольшие выигрыши.

С другой стороны, если бы E. coli подчинялась законам Дарвина, то эксперимент напоминал бы игровой автомат с небольшим числом крупных выигрышей. Как утверждали последователи Дарвина, у E. coli при каждом делении был небольшой шанс мутировать вне зависимости от внешних обстоятельств. Иными словами, могло оказаться, что бактерии в эксперименте Лурии обрели резистентность еще во время размножения в колбах, задолго до реального столкновения с вирусами. В этом случае полученное бактериями преимущество привело бы к совершенно иному результату. Если бы такая мутация возникла в колонии на раннем этапе, то мутантная бактерия успела бы произвести на свет множество потомков. И когда Лурия взял бактериальный образец из такой колонии и поместил в чашку Петри с вирусами, должно было оказаться, что достаточное количество микробов обзавелись резистентностью заранее. В этой чашке выросло бы множество новых колоний.

В других колбах резистентные мутанты могли возникнуть намного позже. У них было бы существенно меньше времени на размножение до пересадки в чашки с вирусом, и в результате они породили бы куда меньше резистентных колоний. В третьих колбах не возникло бы вообще никаких подходящих мутантов. При пересадке такие бактерии вымерли бы целиком, оставив чашки пустыми. Таким образом, вместо нескольких схожих колоний в большинстве чашек — как следовало из предсказания по Ламарку — мутации по Дарвину породили бы несколько чашек с множеством колоний, в то время как в остальных резистентных колоний было бы мало или не было вообще.

Лурия раскрутил маховик своего «игрального автомата» — и начал считать точки колоний в чашках Петри. После окончания подсчета вердикт был ясен. В нескольких чашках колоний было множество, тогда как многие другие чашки оказались попросту пустыми. Игровой автомат жизни выдал всего несколько крупных выигрышей. Дарвин победил.

В 1943 г. Лурия и Дельбрюк опубликовали эти результаты, что обеспечило им обоим долю в Нобелевской премии 1969 г. Следующие поколения биологов воспринимали вышеописанное как один из величайших биологических экспериментов XX столетия. Он убедительно доказал, что бактерии, подобно растениям и животным, передают потомству свои признаки при помощи генов. И показал также, что эти гены способны спонтанно изменяться и распространяться в популяции с помощью естественного отбора. Этот эксперимент стал мощным инструментом науки. Теперь, просто посчитав колонии бактерий в чашке Петри, ученые могут определить, с какой частотой возникают мутации.

Однако в тот момент, когда Лурия и Дельбрюк впервые опубликовали описание и результаты своего эксперимента, на скептиков они особого впечатления не произвели и неоламаркистов ни в чем не убедили. Приверженцы неоламаркизма указывали, что авторам эксперимента приходилось в своих выводах опираться на множество косвенных свидетельств. Могло ведь оказаться, что колбы, задействованные в эксперименте, изначально были не совсем одинаковыми. В некоторых, например, могли остаться следы мыла или какого?то другого постороннего вещества, позже повлиявшего на бактерии. Споры о том, как именно адаптируются бактерии, продолжались среди микробиологов еще лет десять.

Скептиков никак не удавалось убедить, до тех пор пока Джошуа Ледерберг (тот самый, что открыл половое размножение E. coli) не проверил гипотезу игрального автомата в новом эксперименте. Ледерберг и его жена Эстер обернули конец деревянного цилиндра, примерно соответствующего по диаметру чашке Петри, куском бархата, а затем окунули его сначала в чашку с E. coli, а затем в чашку с вирусами. Процедура была проделана трижды — так что три чашки с вирусами получили отпечаток с эшерихиями из одной и той же первоначальной чашки.

Через несколько часов почти все бактерии, занесенные Ледербергами в чашки с вирусами, погибли от инфекции. Небольшое количество мутантов, однако, уцелело и дало начало новым видимым колониям. Ледерберги сфотографировали каждую чашку и сравнили получившиеся изображения. Созвездие мутантных колоний во всех трех чашках выглядело одинаково!

Ледерберги сделали логичный вывод о том, что мутации бактерий возникли еще в первоначальной чашке. Перенося бактерии из чашки в чашку при помощи бархатного штампа, они брали мутантов из одного и того же места в чашке и помещали в то же место чашки с вирусами. Если бы E. coli подчинялась Ламарку, то резистентность она приобрела бы только при столкновении с вирусами, не раньше. И странно было бы ожидать в таком случае одинакового расположения колоний резистентных бактерий во всех трех чашках.

Ледерберги понимали, что они могут выявить резистентные бактерии лишь после того, как те столкнулись с вирусами, поэтому продолжили эксперимент, чтобы доказать, что мутантные особи обладали резистентностью до этого события. Они взяли при помощи бархатного штампа бактерии из чашки с небольшим числом видимых колоний и перенесли в чашку, полную вирусов, а затем подождали, пока из резистентных бактерий в чашке с вирусами вырастут новые колонии. Каждая новая колония соответствовала одной из колоний в первоначальной чашке. После этого Ледерберги взяли из первоначальных колоний некоторое количество бактерий и поместили их в колбы, где те могли размножаться без ограничений. Затем ученые повторили свой эксперимент на новых бактериях — вырастили в новой чашке несколько колоний и перенесли их при помощи бархатного штампа. Теперь все колонии были резистентны. Ледерберги засеяли бактериями из чашки еще одну колбу и вновь повторили эксперимент.

Сколько бы раз ни повторялась описанная процедура, бактерии оставались резистентными к вирусу, хотя ни одна из них в ходе эксперимента теперь с вирусами не сталкивалась. В 1952 г. Ледерберги опубликовали результаты своего эксперимента, утверждая, что некоторое количество резистентных бактерий мутировали до его начала, а затем передали потомкам ген резистентности. Упрямо держаться за теорию Ламарка теперь было бы нелепо.

Вышеописанные эксперименты с E. coli помогли объединить теорию эволюции и генетику и выработать новую синтетическую теорию. Чем больше узнавали ученые о генах и белках, тем яснее становились механизмы естественного отбора. Случайная мутация изменяла последовательность нуклеотидов гена и, следовательно, структуру соответствующего белка. В некоторых случаях мутации оказывались летальными, так как блокировали производство необходимого белка. Другие мутации были для организма безразличными. Зато некоторые — очень редкие — мутации реально повышали репродуктивный успех особи. При этом преимущества или, наоборот, недостатки мутации зависели от окружающей среды. Так, мутация, придающая E. coli резистентность к вирусу, гарантирует ей репродуктивный успех лишь в том случае, когда колонии действительно угрожают вирусы. Если нет, такая мутация останется безразличной. Она может даже стать для организма обузой.

За следующие 50 лет биологи — эволюционисты накопили целые горы данных, доказывающих, что эволюция действительно происходит, причем именно таким образом. В большинстве случаев, однако, им приходится изучать эволюцию косвенно, сравнивая гены различных организмов, чтобы разобраться в том, как они произошли от общего предка с помощью естественного отбора. Но есть несколько видов, на которых ученые могут наблюдать эволюцию «в прямом эфире», поколение за поколением, мутация за мутацией. E. coli принадлежит к самым удобным и благодатным из них.