Илья Рухленко - Что ответить дарвинисту? Часть II
В результате включения режима гипер-мутагенеза, частота возникновения мутаций в ДНК может повыситься сразу на несколько порядков. Понятно, что в таких условиях быстро находить необходимые варианты одинарных или даже двойных мутаций методом «полного перебора» становится намного легче (учитывая огромную численность бактериальных колоний). Таким форсированным способом можно быстро получить, например, устойчивость к тому или иному антибиотику (или к другому разрушительному фактору среды).
Однако решать проблемы подобным способом – это уже так называемый «вариант атас». Потому что значительная часть бактерий станет получать мутации, либо вредные, либо вообще несовместимые с жизнью. В результате, бактериальная колония в целом станет либо хуже расти, либо вообще сокращаться. Но видимо, иногда проблемы бывают настолько серьезными, что всё-таки требуют включения механизма гипер-мутирования. Пусть большая часть бактерий при этом погибнет от вредных мутаций, но зато какие-то отдельные счастливчики могут стать обладателями именно такого генетического изменения, которое успешно решит возникшую проблему выживания. И в результате, данная линия бактерий сможет продолжить своё существование.
Таким образом, получается, что бактерии для приспособления к среде могут использовать не только обычный вариант «полного перебора», но и его форсированный вариант (во всяком случае, в некоторых ситуациях). Такую способность можно рассматривать, как еще один (дополнительный) механизм, которым кто-то заботливо снабдил (?) бактерий, для того чтобы повысить надежность их выживания при самых экстремальных возмущениях среды. Действительно, трудно представить, каким образом подобный генетический механизм мог бы появиться у бактерий естественным образом. Ведь переход SOS-системы в режим гипер-мутагенеза полезен только иногда, в самых экстремальных условиях (для получения необходимой редкой мутации). В обычных же условиях, такой режим работы будет приводить к снижению конкурентоспособности тех бактериальных линий, в которых SOS-система вздумает начать работать именно в таком режиме. Потому что в этом случае образуется слишком много бактериальных клеток с вредными мутациями. Следовательно, для того чтобы приносить пользу (а не вред!), такой режим работы SOS-системы должен был появиться сразу в готовом виде, то есть, уже уметь надежно «засыпать» в нормальных условиях и просыпаться только в самых экстремальных. Но такая особенность работы SOS-системы обеспечивается несколькими специальными генами. Поэтому представить, как это могло образоваться методом постепенных «случайных тыков» – не очень получается.
Впрочем, проблема естественного возникновения подобного генетического комплекса ничуть не тяжелее проблемы естественного возникновения какой-нибудь системы свертываемости крови, или механизма мейоза, или биохимического пути гликолиза.
А теперь давайте вернемся обратно к результатам опытов Холла (Hall, 1991). Можно предположить, что бактерии, которые в экспериментах Холла поразительно быстро восстанавливали способность синтезировать триптофан – делали это не в силу обладания мистическими способностями, а просто в результате резкого повышения общего мутационного фона (вызванного, допустим, работой озвученной SOS-системы в режиме мутагенеза). Вследствие чего необходимая двойная мутация находилась гораздо быстрее (в 100 млн. раз быстрее), чем это ожидалось в обычном «режиме» жизнедеятельности бактерий.
Однако при ближайшем рассмотрении такое предположение перестаёт выглядеть привлекательным.
Во-первых, потому что той частоты мутагенеза, которую могут обеспечить гены-мутаторы SOS-системы, всё равно не хватает для объяснения результатов опытов Холла. Например, в работе (Maisnier-Patin et al., 2005) исследователи использовали один из генов-мутаторов бактериальной SOS-системы, но даже самая активная работа этого гена обеспечила повышение частоты разных[182] мутаций не более чем на 2 порядка (то есть, всего в 100 раз или немного больше). Однако Холл оценил скорость восстановления «триптофановых способностей» у своих бактерий – в 100 миллионов раз выше, чем это ожидалось бы при случайном распределении мутаций (происходящих в обычном темпе мутагенеза). Получается, что наблюдаемая скорость восстановления бактерий в эксперименте Холла всё равно была в миллион раз выше, чем это ожидалось бы методом «полного перебора», даже после его форсирования в 100 раз.
Во-вторых, в работе (Maisnier-Patin et al., 2005) было показано, что работа гена-мутатора приводит к более-менее равномерному распределению мутаций по всему геному бактерии, при общем повышении частоты разных мутаций в 100 раз. В связи с этим возникает вопрос – а способны ли вообще бактериальные колонии выдержать повышение мощности мутагенеза не в 100 раз, а в 100.000.000? Не получится ли при такой частоте мутаций полного вымирания бактериальных колоний, вследствие мгновенного накопления вредных мутаций практически в каждой бактериальной клетке?
В общем, маловероятно, что быстрое восстановление бактерий (из состояния двойного мутанта) в экспериментах Холла происходило за счет общего повышения уровня мутагенеза. Поэтому не исключено, что «недра» бактериальной клетки скрывают внутри себя еще какой-то (пока не очень понятный) специальный механизм, который в ответ на вызовы среды способен подбирать необходимые генетические изменения гораздо эффективнее, чем обычный мутагенез, и даже эффективней, чем гипер-мутагенез бактериальной SOS-системы.
То есть, бактерии, оказывается, не так просты, чтобы адаптироваться к изменениям окружающей среды только с помощью естественного отбора случайных мутаций в обычном режиме мутирования. Помимо обычных случайных мутаций они могут: 1) обмениваться между собой нужными генами в ходе горизонтального переноса, 2) использовать форсированный вариант «полного перебора» (гипермутагенез), 3) возможно, обладают еще какими-то (более «умными») механизмами адаптаций.
Ну а каковы же возможности самого примитивного генетического механизма адаптации бактерий – метода «полного перебора» в обычном режиме? По этому поводу имеется некоторый разнобой фактов.
С одной стороны, имеются данные, что такой способ весьма неплох. Например, в работе (Weinreich et al., 2006) исследователи на практике показали, что «brute force search» в исполнении бактерий, в принципе, способен на многое. В этой работе исследователи продемонстрировали, что у бактерий, с которыми они работали, может выработаться устойчивость к новому антибиотику цефотаксиму. Для этого в ДНК исходных бактерий должны произойти 5 конкретных точечных изменений (мутаций). В этом случае, устойчивость бактерий к новому антибиотику возрастает в 100000 раз. Понятно, что сразу все 5 нужных изменений появиться у бактерий не могут. Для подобной мутации не хватит вообще всех существующих бактерий на планете Земля. Действительно, если частота точечной мутации (с заменой нужного нуклеотида) будет одна к миллиарду, то вероятность того, что сразу 5 нужных нуклеотидов мутируют именно нужным образом внутри какой-нибудь одной бактерии, составит 1 к 1045. Понятно, что такое событие не случится вообще никогда.[183]
Более того, авторы исследования благоразумно рассудили, что даже нужную двойную мутацию (где сразу два конкретных нуклеотида мутируют внутри одной бактерии) тоже вряд ли можно сразу получить методом полного перебора. Потому что такая двойная мутация (вероятность 10-18) потребует количества бактерий (1018 особей), которое вряд ли можно насобирать в пределах воздействия нового антибиотика.
Поэтому авторы работы (Weinreich et al., 2006) решили посмотреть, можно ли получить из исходного немутантного гена, мутантный ген, несущий все 5 нужных мутаций – с помощью цепочки из пяти последовательных одинарных (нужных) мутаций.
То есть, они рассматривали вариант, когда одновременно происходит только одна единственная мутация (из пяти необходимых). И далее исследовали, смогли бы бактерии (в принципе) приобрести конечную устойчивость к новому антибиотику путем «пошагового» (постепенного) приобретения всех пяти мутаций, с величиной шага в одну единственную мутацию. Или не смогли бы. Действительно, это весьма интригующий вопрос. Ведь для того, чтобы естественный отбор последовательно поддержал все пять мутаций, каждая новая мутация, взаимодействуя с предыдущими мутациями, должна повышать, а не понижать устойчивость к новому антибиотику.
