Бактерия как химический реактор

Я получил книгу Хиншелвуда про рост культур бактерий и начал ее читать. Ниже коротко о первой трети книги, которую я прочитал.

А. Дин, С. Хиншелвуд, Рост, функции и регулирование в бактериальных клетках (A. C. R. Dean, C. Hinshelwood, Growth, function and regulation in bacterial cells, 1966).

Для тех, кто не в курсе: Сирил Хиншелвуд — известный химик, который получил Нобелевскую премию 1956 г. совместно с H. H. Семеновым за исследование механизмов разветвленных цепных реакций.

Книга написано исключительно четко, читать ее одно удовольстие. В прочитанной части книги столкновения с биологами ощущаются всего лишь на заднем плане. Тем не менее, точки расхождения уже вполне очерчены. Но, все по порядку.

В первой главе (Введение) описываются основные принципы химической кинетики и базовая информация о бактериях. Химическая кинетика начинается с изотермы Ленгмюра. Показаны разные области изотермы и обсуждены отклонения экспериментов от уравнения Ленгмюра. Далее рассмотрены механизмы химических реакций. Обычно химическая реакция состоит из многих стадий и часто анализ реакции существенно упрощается в рамках метода квазистационарных концентраций. Реакции с участием ферментов вносят свои особенности, которые рассмотрены на примере уравнения Михаэлиса-Ментен.  При чтении у меня даже разыгралась ностальгия: дела давно минувших дней. Далее в главе рассматриваются полимеры, биологические полимеры и, наконец, фаги и бактерии.

Позицию Дина и Хиншелвуда можно выразить как умеренный редукционизм. Редукционизм состоит в том, что функционирование бактерии полностью сводится к химическим реакциям. Умеренность же проявляется в том, что такой принцип автоматически не переносится на все организмы. Авторы изучают вполне конкретное явление и они ограничивают свои модели рассмотрением только изучаемого явления.

Вторая глава (Цикл роста бактерий) описывает эксперименты по росту бактериальной культуры. Наблюдаемые явления делятся на несколько стадий (рисунок с studopedia.ru)

В начальной фазе наблюдается некоторая задержка (аналог в цепной реакции — стадия инициирования). К начальной фазе уместно процитировать классиков: «Мы уже победили, только это еще не так заметно.» Далее начинается экспоненциальный рост культуры (по оси Y на графике откладывается логарифм числа бактерий или логарифм суммарной массы бактерий), который далее плавно переход в плато и в завершение все бактерии помирают, поскольку дальнейшее деление клеток по той или иной причине невозможно.

В третьей главе (Фазы цикла роста) все стадии рассматриваются более подробно. Дин и Хиншелвуд подробно разбирают возможные механизмы, определяющие стадии. Например достижение плато возможно по причине поедания всех питательных веществ или по причине появления токсических веществ, выработываемых по ходу роста колонии бактерий. Авторы приводят экспериментальные данные, которые доказывают, что обе причины имеют место.

В четвертой главе рассмотрены экспериментальные данные, которые показывают, что клетка бактерии не остается неизменной по ходу кривой изображенной выше. На разных стадиях кривой роста в клетах бактерий наблюдаются вполне определенные изменения. Это означает, что в экспоненциальной фазе клетки бактерий отличаются от таковых в начальной фазе.

Пятая глава (Полная интеграция) описывает предлагаемую модель Дина и Хиншелвуда. Предполагается рассматривать кривую роста бактериальной культуры в рамках системы (network) химических реакций. На этом пути авторы вводят простенькие модельки и затем проводят качественный анализ получаемых уравнений. Должен отметить, что с точки зрения химика все выглядит крайне логично и последовательно.

Шестая глава (где я сейчас нахожусь) описывает эксперименты по адаптации бактерий к лекарственным препаратам. В книге подобные эксперименты называют тренировкой (training). Чувствуется, что данные эксперименты будет ключевым моментом в споре с биологами.

В чем, собственно говоря, причина разногласий? С точке зрения центральной догмы биологии следует трактовать события с бактериями следующим образом: случайная мутация (изменение генотипа), влияние на фенотип, естественный отбор. В то же время Дин и Хиншелвуд никак не могут понять, где же среди системы химических реакций следует искать естественный отбор. Детальное обсуждение проблемы отложено на вторую половину книги. Пока же авторы ограничились следующими замечаниями.

В главе III при рассмотрении начальной фазы роста бактериальной культуры Дин и Хиншелвуд упоминают гипотезу отбора (с. 67). Она сводится к утверждению, что в бактериальной культуре среди клеток наблюдается сильная изменчивость и разные клетки обладают разными способностями к размножению. Соотвественно, в самом начале отличники размножаются, а двоечники отмирают, и требуется некоторое время пока в культуре остаются только самые успешные клетки. Дин и Хиншелвуд однако выражают сомнение, что такое объяснение можно признать без дополнительных экспериментальных подтверждений.

В конце четвертой главы (с. 101) авторы затрагивают часто слышимое из уст биологов утверждение, что мутации происходят спонтанно. Дин и Хиншелвуд по этому поводу замечают, что в таком контексте «спонтанность» носит метафизическую природу и по всей видимости только означает, что причина произошедшего ученым неизвестна. В случае бактерий причиной мутаций может быть либо внешняя радиация, либо действие лекарственных средств. Авторы книги отмечают, что слово спонтанность в этом отношении подчеркивает случайность мутации и независимость ее от внешней среды. Они обещают разобраться с таким подходом более детально в главе XIII.

В пятой главе (с. 105-106) подчеркивается, что роль ДНК явно преувеличивается. ДНК не может самовоспроизводится вне клетки и работу ДНК следует рассмаривать только в рамках всей системы химических реакций. Вопрос о том, какая химическая реакция в данном случае самая главная, не имеет особого смысла. Дин и Хиншелвуд говорят, что утверждению о том, что код живой материи содержится исключительно в ДНК можно придать смысл, что изменения в ДНК ведут к быстрым изменениям во всех частях клетки, в то время как изменения в ферментах будут устранены при условии неизменности ДНК. Тем не менее, они отмечают, что поскольку репликация ДНК проходит с участием ферментов, то нельзя полностью исключить того, что изменения в ферментах вызовут изменения в ДНК.

Было бы интересно найти реакцию биологов того времени на книгу Хиншелвуда.

Продолжение: Бактерия как трансформер

См. также

Хиншелвуд: Отбор глазами химика

Обсуждение

http://evgeniirudnyi.livejournal.com/115840.html


Comments are closed.