Прочитал книгу Хиншелвуда ‘Рост, функции и регулирование в бактериальных клетках‘ про рост культур бактерий. 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. Мне книга понравилась, она полностью оправдала мои ожидания. Именно так надо излагать биологию для химиков, все просто и понятно.
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, вырабатываемых 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 клетках 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 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. Соответственно, 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 рассматривать 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.
Центральной частью книги являются главы про эксперименты по адаптации бактерий к лекарственных препаратам и к новым источникам углерода и азота. Типичный эксперимент выглядит таким образом (см. график в предыдущей заметке). Берется инокулят (штамм бактерий) и помещается в питательную среду. Далее наблюдается рост колонии бактерий. При достижении плато часть культуры используется в роли нового инокулята и процесс повторяется много раз.
При изучении адаптации бактерий добавляется определенная концентрация вещества, вредного для здоровья бактерий. Параметры кривой роста бактерий в результате такого вмешательства меняются — увеличивается продолжительность начальной стадии и плато достигается при существенно меньшем числе бактерий. При переносе инокулята и повторении процесса происходят необычные вещи: через некоторое число повторений начальная фаза сокращается, а число бактерий при достижении плато увеличивается. Дин и Хиншелвуд называют такой процесс тренировкой. Интересно отметить, что в некоторых случаях бактерии настолько привыкают к лекарствам, что уже не могут дальше без них размножаться. Вот, и бактерии оказываются могут сесть на иглу.
В другом случае бактерии помещаются в среду с малым содержанием питательных веществ, к которым привыкли бактерии, но при этом в среде находится значительное содержание другого вещества, которое также можно назвать питательным, но которое являются для бактерий новым. После определенной тренировки бактерии оказываются способными успешно потреблять новое вещество.
Дин и Хиншелвуд подчеркивают, что процесс адаптации описывается количественным характеристиками. Они отвергают обсуждение адаптации бактерий в духе идет — не идет. Процесс адаптации меняется при изменении концентрации вещества. Бактериям, натренированных на одну концентрацию вещества, требуется опять определенное время для адаптации к другой концентрации того же самого вещества.
Отдельная глава книги посвящена обратимости адаптационных изменений. Бактерии, прошедшие тренировку к определенному веществу, можно вернуть обратно к жизни с исходным питательным веществом. Обратная адаптация требует опять же определенного времени, но в большинстве случаев оказывается вполне возможной.
Мне стало понятно, почему химика Хиншелвуда так привлекли бактерии. В такой постановке эксперименты с бактериями напоминают типичное исследование химической кинетики. Поменяли концентрацию — померили кинетику. Далее построили график как кинетика основной реакции зависит от концентрации добавок и рассуждаем о возможном механизме происходящего.
При обсуждении результатов Дин и Хиншелвуд отмечают, что можно встретить все возможные случаи. Есть определенные границы адаптации и в ряде случаев тренировка просто не проходит. Есть случаи, когда в исходной среде бактерий есть мутанты и в этом случае работает естественный отбор. Однако в большинстве проведенных экспериментов использование гипотезы мутаций и последующего естественного отбора по мнению авторов книги не проходит. Соответственно, в книге предлагается свое объяснение, которое можно назвать трансформацией системы химических реакций. Объяснение напоминает ламаркизм, поскольку при адаптации к новой среде в результате трансформации появляются новые поколения бактерий, которые размножаются далее уже приспособленными к введенному веществу. Дин и Хиншелвуд отмечают, что наследование приобретенных признаков не наблюдается у обычных биологических организмов. Тем не менее, они говорят, что нельзя автоматически перенести такое утверждение на бактерии. В конечном итоге, есть экспериментальные данные, которые требуют своего объяснения.
В главе Мутанты и отбор Дин и Хиншелвуд описывают естественный отбор бактерий количественно. На этом пути они связывают естественный отбор со скоростью размножения и со скоростью смертности бактерий, что сразу же дает необходимые уравнения. Еще раз подчеркивается, что есть эксперименты, где такие уравнения вполне применимы. Далее однако показывается, что в большинстве рассмотренных случаев такой подход не может количественно описать наблюдаемые данные. Авторы книги говорят, что для количественного описания потребовалось бы ввести крайне своеобразные вероятности мутаций, которые при этом должны бы быть связаны с изменением окружающей среды. Соответственно, они приходят к выводу, что их гипотеза является более разумной.
Мне понравилось, что обсуждение в книге постоянно было связано с экспериментами. Только незначительная часть книги посвящена спекуляциям. В данном контексте отмечу идеи, что размножение бактерий похоже на цепную реакцию и что свободные радикалы играют особую роль в клетке.
Теперь надо будет найти реакцию биологов на работы Хиншелвуда. В конечном итоге биологи не могли же проигнорировать экспериментальные данные. Или все-таки могли?
Информация
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).
См. также: Хиншелвуд: Отбор глазами химика