01.06.2011 | Наука

Фаги, бактерии и ламаркизм

Дальнейшее противопоставление моделей Дарвина и Ламарка лишено смысла

«В сущности я буду вам рассказывать про один и тот же эксперимент, – сказал в начале своей лекции доктор биологических наук, заведующий лабораторией Института молекулярной генетики РАН, профессор университета Ратгерса Константин Северинов. – За последние 70 лет его ставили минимум три раза, все три раза получали разные результаты и все результаты были правильными».

Присказка о приобретенных признаках

Чтобы понять, о чем идет речь, придется сделать довольно длинное отступление в историю науки. С тех пор, как наука Нового времени предположила, что виды могут изменяться, ей пришлось отвечать на вопрос: каким образом возникает удивительная приспособленность живых организмов к условиям их жизни?

По мнению автора первой цельной эволюционной теории, знаменитого французского зоолога Жана Батиста Ламарка, все дело в изначальной способности живых организмов изменять в некоторых пределах свои черты сообразно требованиям среды. В самом деле, все знают, что у человека, регулярно поднимающего тяжести, увеличиваются мышцы; сосна, затененная соседними деревьями, начинает тянуться вверх, а хамелеон и осьминог меняют цвет своих покровов в соответствии с окружающим фоном. Остается только предположить, что эти изменения передаются потомству и, накапливаясь в ряду поколений, формируют те сложные и совершенные приспособления, которыми поражает нас живая природа.

Впрочем, сам Ламарк не считал этот эффект главной движущей силой эволюции. По его мнению, наследование индивидуальных достижений лишь отклоняет живые существа от следования заложенному в них стремлению к прогрессу – позволяя зато приспосабливаться к среде обитания. Однако по иронии судьбы словом «ламаркизм» в науке стало зваться именно представление о наследовании адаптивных изменений, приобретенных в течение жизни.

Как известно, теория Ламарка успеха не имела. Эволюционная идея в биологии восторжествовала лишь через полвека, когда Чарлз Дарвин предложил другое решение проблемы приспособленности. По его мнению, материалом для эволюции служат случайные и ненаправленные наследственные изменения. Те из них, которые способствуют выживанию и размножению своих обладателей, со временем распространяются в популяции и становятся исходным рубежом для следующего шага. Окружающая среда не диктует организму, в какую сторону ему меняться, – она лишь благоприятствует носителям одних изменений больше, чем обладателям других.

Парадоксальным образом именно огромный успех теории Дарвина воскресил интерес ученых к забытым идеям Ламарка. И тем самым положил начало одному из самых долгих и плодотворных споров в истории науки: так как же возникают новые приспособления – по Дарвину или по Ламарку?

Поначалу почти все эволюционно настроенные биологи признавали действие в природе обоих механизмов. Принципиальной возможности наследования адаптивных изменений не отрицал и сам Дарвин – указав лишь, что некоторые адаптации не могут быть объяснены таким образом. Однако вскоре Август Вейсман выступил с утверждением, что ламарковский механизм не играет в эволюции никакой роли по той причине, что его не существует – приобретенные в течение жизни признаки не наследуются. Опровергнуть его (а этого хотелось многим) можно было только одним способом: доказав реальность наследования приобретенных признаков.

Поиски этого феномена по своей продолжительности, а также по числу и изобретательности участников уступают разве что поискам философского камня и вечного двигателя. И результаты этих поисков тоже были очень похожи: не раз и не два энтузиасты сообщали об обнаружении бесспорных доказательств – но всякий раз скептики находили либо методологические пороки (а то и прямые фальсификации) в самом эксперименте, либо альтернативные объяснения его результатов. По мере ужесточения методологических требований искомый механизм последовательно превращался из «несомненного» в «весьма вероятный», затем в «возможный», «предполагаемый некоторыми авторами» и, наконец, в «не обнаруженный, несмотря на настойчивые поиски».

Одним из последних заповедников ламаркизма оставалась микробиология: стремительная адаптация микроорганизмов чуть ли не к любым воздействиям плохо совмещалась с образом медленной дарвиновской эволюции, невольно наталкивая на мысль, что уж микробы-то точно приспосабливаются по Ламарку. Спор дарвиновской и ламарковской моделей затянулся в ней до 1940-х годов и завершился знаменитым опытом – первым из тех, о которых рассказал профессор Северинов.

По свидетельству дисперсии

Микробиологические опыты хороши тем, что сроки эволюции тут измеряются сутками, а вся эволюционирующая популяция вместе с окружающей средой помещается в одной пробирке или чашке Петри. И одним из факторов среды, приспосабливаться к которым приходилось бактериям, были паразитирующие на них вирусы – фаги. В норме фаг цеплялся к поверхности бактериальной клетки, впрыскивал внутрь нее свою ДНК, та встраивалась в геном хозяина и многократно копировалась, одновременно заставляя зараженную клетку в лихорадочном темпе синтезировать вирусные белки. В конце концов клетка погибала и лопалась, и в среду вываливалось множество новеньких, готовых к заражению фаговых частиц. Процесс развивается лавинообразно, но если бактерий достаточно много, рано или поздно среди них находится клетка, невосприимчивая к фагу. Биохимические механизмы устойчивости могут быть разными, но результат один: резистентная клетка преспокойно растет и размножается на питательной среде с фагом, образуя на поверхности различимую невооруженным глазом колонию.

Именно этот процесс в 1943 году Макс Дельбрюк и Сальваторе Луриа превратили в тест на различение ламарковского и дарвиновского механизма адаптации. Они рассуждали так: если эволюция идет по Ламарку, то адаптивные изменения в геноме бактерии вызывает именно воздействие фага. И стало быть, происходить они могут только после встречи бактерии и фага. Значит, если размножить бактериальный штамм во многих пробирках, а потом из каждой сделать посев на среду с фагом, то в каждой чашке Петри должно вырасти примерно одинаковое число колоний устойчивых бактерий – где-то больше, где-то меньше, но порядок величины будет один.

Если же эволюция идет по Дарвину, то мутации, придающие бактерии устойчивость, возникают независимо от присутствия фага. В одной пробирке нужная мутация произошла десять поколений назад, в другой – пять, а в третьей – только что. Тогда в посеве из первой пробирки устойчивых клеток окажется больше тысячи, из второй – 32, а из третьей – одна-единственная. Строгие расчеты показывают: при адаптации по Ламарку дисперсия (мера отклонения от среднего) числа устойчивых клеток должна равняться их среднему числу, при адаптации по Дарвину – многократно превышать среднее.

Дельбрюк и Луриа поставили свой опыт на бактериях Escherichia coli (кишечной палочке) и фагах Т1. Позднее он был повторен множество раз с разными фагами, а также антибиотиками и другими повреждающими агентами. Результаты были однозначны: дисперсия всегда многократно превышала среднюю величину. Бактерии приспосабливались по Дарвину.

Специально для тех, кто пытался защититься от этого опыта непониманием его математической стороны, супруги Джошуа и Эстер Ледерберг спустя несколько лет показали то же самое, что называется, «на пальцах». Они высевали множество бактерий на обычной питательной среде, а затем специальной бархатной подушечкой переносили отпечаток всех колоний на среду с фагом. Если там что-то вырастало (а рано или поздно такое случалось), то можно было точно определить, из какой колонии взялись устойчивые бактерии. И всякий раз оказывалось, что вся эта исходная колония тоже устойчива к фагу – с которым никогда в жизни не сталкивалась!

Через десять лет после опыта Дельбрюка и Лурии ученик Дельбрюка Джеймс Уотсон и его соавтор Френсис Крик предложили свою знаменитую двойную спираль ДНК. Вскоре была сформулирована «центральная догма» молекулярной биологии: информация может передаваться от одной нуклеиновой кислоты к другой и от нуклеиновой кислоты к белку – но никогда не наоборот. И уж вовсе речи быть не могло о целенаправленном изменении записанной в нуклеиновых кислотах информации под воздействием окружающей среды. Вопрос был закрыт на многие десятилетия.

Но, как оказалось, не навсегда.

Голод научит

В любом деле обязательно находятся люди, не верящие в однозначные и окончательные запреты. В молекулярной эволюционистике эту роль взял на себя профессор Гарвардской медицинской школы Джон Кернс.

Объектом его экспериментов была та же самая кишечная палочка. Но если Дельбрюк и Луриа травили ее смертоносными фагами, то Кернс морил голодом. Для опытов был выбран мутантный штамм lac-, у которого был поврежден ген фермента лактазы, расщепляющего молочный сахар – лактозу. Множество бактерий этого штамма высевалось на среду, единственным питательным веществом в которой была именно лактоза.

Разумеется, в каждой чашке Петри находилось несколько клеток, у которых произошла обратная мутация, и ген восстановил свою активность. Они успешно росли и размножались, давая начало видимым невооруженным глазом колониям. Но в отличие от опытов Дельбрюка и Луриа основная масса высеянных бактерий не погибала: они проходили через два-три деления, а затем переставали размножаться, ограничивали до предела процессы жизнедеятельности и в таком виде ждали лучших времен.

И для некоторых из них такие времена наступали! Если через сутки после посева в каждой чашке вырастало всего несколько колоний, то на следующий день к ним добавлялось еще несколько, потом еще... Число колоний, способных расщеплять лактозу, росло прямо пропорционально времени с момента посева на селективную среду. Динамика точно соответствовала эволюции по Ламарку: длительное действие фактора, к которому надо приспосабливаться, целенаправленно вызывало адекватные изменения в геноме.

Статья Кернса и его сотрудников, опубликованная в 1988 году в авторитетнейшем журнале Nature, наделала много шуму. Потребовалось длительное масштабное исследование, на которое был выделен специальный грант (целевые гранты на проверку и анализ уже полученных результатов – огромная редкость в современной науке), чтобы разобраться в механизме обнаруженного феномена.

Вообще-то еще до опытов Кернса биологи знали, что в неблагоприятных условиях частота мутаций в бактериальных клетках резко возрастает. Известен даже механизм этого явления: при стрессе в клетке работает альтернативная ДНК-полимераза, делающая гораздо больше ошибок, чем «штатная». Само по себе это не может объяснить открытой Кернсом картины – мы же помним, что голодные клетки не делятся, а значит, и ДНК в них не удваивается. Невозможно сделать опечатку в ненапечатанном тексте!

Однако при внимательном рассмотрении оказалось, что у использованного Кернсом штамма ген лактазы был выведен из строя не до конца: мутантный фермент все-таки мог расщеплять молочный сахар, но его активность составляла около 2% от нормальной. При таком скудном рационе ни о каком делении, конечно, не могло быть и речи. Но тут вступало в действие другое фирменное ноу-хау бактерий – амплификация. С гена, чьего белка клетке остро не хватает, снимается несколько копий, которые тут же встраиваются в геном. А, скажем, 6 экземпляров мутантного гена – это уже целых 12% нормальной ферментативной активности, достаточно, чтобы потихонечку размножаться. Кривая ДНК-полимераза исправно штампует со всех экземпляров копии со множеством опечаток, и рано или поздно среди них оказывается спасительная – обратная мутация, восстанавливающая нормальную активность фермента. На месте медленно размножающейся кучки бактерий-инвалидов вырастает обычная колония полноценных клеток. И исследователь наблюдает, как там и сям все новые клетки обретают исходно отсутствовавшую у них способность расти на лактозе и успешно передают ее по наследству...

У некоторых ученых, разбиравшихся в этом казусе, сложилось впечатление, что хитрец Кернс нарочно так подобрал параметры своего эксперимента, чтобы получить красивую картинку «эволюции по Ламарку». Но как бы то ни было, и этот случай в конечном счете свелся к дарвиновской модели: факторы среды не определяли направление мутаций, а лишь увеличивали их частоту и отбирали удачные варианты.

И все-таки они наследуются!

Филипп Хорват и Родольф Баррангу тоже работали с бактериями, но поначалу мало интересовались фундаментальными проблемами. Они были сотрудниками компании Danisco – крупнейшего мирового производителя пищевых ингредиентов и культур-заквасок. В последних широко использовался микроб Streptococcus thermophilus – одна из самых распространенных молочнокислых бактерий, сбраживающих лактозу в молочную кислоту. Слабым местом этого микроба была чувствительность к фагам (в том числе и к уже знакомому нам фагу Т1) – случайное заражение могло привести к массовой гибели стрептококков на всем предприятии. Однако и у стрептококка регулярно возникали штаммы, устойчивые к фагам, и это качество передавалось всему их потомству. Задачей Хорвата и Баррангу было выяснить механизм этой устойчивости.

К моменту начала их работы уже было известно, что стрептококк защищается от фагов иначе, нежели кишечная палочка. Если последняя обычно изменяет структуру белков-рецепторов на своей поверхности (лишая тем самым фага способности связываться с ними), то у первого ключевую роль играет так называемая система CRISPR/Cas. Ядром его является локус CRISPR – участок генома, состоящий из коротких (23 – 47 пар) одинаковых последовательностей нуклеотидов, между которыми вставлены последовательности почти столь же короткие (21 – 72 пары), но уникальные. Причем набор этих вторых последовательностей, получивших название спейсеров, уникален для каждого штамма стрептококков – настолько, что создав необходимую базу данных, можно уверенно определять, откуда брали закваску для производства йогурта в вашем стаканчике.

Число спейсеров и разделяющих их повторов в разных клетках различно и может достигать нескольких сотен, но обычно их меньше 50. Рядом с локусом CRISPR лежит обширная область Cas, объединяющая ряд обычных структурных генов, кодирующих различные белки. Общее у этих белков то, что все они работают с нуклеиновыми кислотами – это нуклеазы, полимеразы, нуклеотид-связывающие белки и т. д.

Заразив стрептококков фагом Т1 и выделив устойчивые клетки, Хорват и Баррангу сравнили их локус CRISPR с аналогичным локусом исходного штамма. Оказалось, что у выживших стрептококков этот локус вырос на одну или несколько пар «повтор – спейсер». Причем «текст» нового спейсера всякий раз точно совпадал с каким-нибудь из участков ДНК... того самого фага, устойчивость к которому приобреталась. Чтобы убедиться в неслучайности этого совпадения, ученые методами генной инженерии вставили в локус CRISPR неустойчивого стрептококка искусственный спейсер из ДНК фага. Измененная таким образом клетка оказалась устойчивой к фагу, с которым никогда не сталкивалась.

Дальнейшие исследования позволили реконструировать весь механизм «бактериального иммунитета». При вторжении фага шанс на спасение получают те клетки, которые успевают вырезать из ДНК агрессора кусочек и вставить его в свой CRISPR, дополнив стандартным повтором. Затем со всего локуса считывается РНК, которую тут же нарезают на короткие кусочки: две половинки повтора по бокам (каждый повтор – это палиндром, одинаково читающийся слева направо и справа налево) и спейсер между ними. Поскольку центральная часть такой РНК комплементарна какому-то участку генома фага, она прочно и избирательно связывается с ним – после чего Cas-белки опознают по этой метке вирусную ДНК и уничтожают. (Кстати, первоначальное «взятие пробы» чуждой ДНК, интеграцию ее в локус CRISPR, нарезку считанной с этого локуса РНК на функциональные фрагменты и т. д. тоже делают Cas-белки, только другие.) И отныне данный фаг никогда не сможет заразить клетки данного штамма – по крайней мере, пока не изменит тот участок своего генома, который бактерия ввела в свою «антивирусную библиотеку».

Все это изрядно напоминает работу антител у высших животных. Но формирование антител – процесс строго дарвиновский, хотя и искусственно ускоренный. А вот в системе CRISPR/Cas нет ни случайных изменений, ни отбора: запись в геном, обеспечивающая адаптацию к новому фактору среды (в роли которого выступает фаг), вносится непосредственно самим этим фактором. И в дальнейшем наследуется всеми потомками приобретшей его бактерии: по набору спейсеров в данной клетке можно узнать, с какими фагами сталкивалась она и ее предки. То есть именно так, как постулировал Ламарк.

При этом система CRISPR/Cas – не такая уж экзотика: ею обладают почти все археи (наиболее древние безъядерные организмы, выделяемые ныне в особое царство живых существ) и около 40% изученных бактерий. Правда, у кишечной палочки ее нет – что и позволило Дельбрюку и Луриа доказать дарвиновский механизм адаптации бактерий. Нет ее и у эукариотных (обладающих клеточным ядром) организмов, в том числе у всех многоклеточных.

Профессор Северинов делает из этого вывод, что общих принципов, универсальных для всех случаев, в биологии нет и что дальнейшее противопоставление моделей Дарвина и Ламарка лишено смысла. Тем не менее он согласен с тем, что данный механизм может обеспечить один-единственный тип адаптации: нейтрализацию повреждающего агента, причем непременно биологической природы. Чтобы информация из окружающей среды могла быть прямо внесена в геном, нужно, чтобы она уже была записана на языке генома.

Таким образом ламарковское наследование иммунитета у бактерий оказывается исключением, которое подтверждает правило: отбор случайных изменений – единственный способ создать новую генетическую информацию. Все остальные механизмы, включая самые экзотические, могут ее хранить, переносить, переписывать, собирать, использовать – но не создавать.

Источник: "Полит.ру", 27.04.2010,