Два фахівці з бактерій продемонстрували, що видозміни зароджуються спонтанно в бактеріальних культурах, тим самим спростовуючи еволюційну теорію Жана-Батіста Ламарка.
Ілюстрація бактеріофагів, які вражають кишкову паличку. Експерименти, проведені Лурією та Дельбрюком з двома різновидами мікроорганізмів, показали, що мутації з’являлися довільно, а не як відгук на вибірковий вплив. (Зображення надано: TUMEGGY/SCIENCE PHOTO LIBRARY через Getty Images) Підпишіться на нашу поштову розсилку
У 1943 році фізиком і біологом була надрукована стаття, яка підтвердила одну з основних опор теорії еволюції Дарвіна.
У статті, написаній Максом Дельбрюком з Університету Вандербільта та Сальвадором Лурією з Університету Індіани, було описано простий дослід під назвою «тест на коливання», який засвідчив, що мутації виникають у бактерій мимовільно, а не як відповідь на «тиск відбору».
Це питання обговорювалося з часу публікації Дарвіном його знаменитої роботи «Походження видів» у 1859 році. Дарвін стверджував, що природна мінливість трапляється випадково у всіх живих істот, а вплив довкілля робить деякі з цих змін кращими або гіршими для певних організмів у їхній «боротьбі за виживання». З часом ці ознаки стають більш поширеними, оскільки найбільш пристосовані істоти виживають і дають потомство. Натомість французький натураліст Жан-Батист Ламарк на початку 1800-х років висунув гіпотезу, що мінливість може бути спричинена впливом навколишнього середовища.
Коли Дельбрюк і Лурія здійснювали свої експерименти, теорія Дарвіна вважалася вірною для рослин і тварин, проте деякі науковці вважали, що взаємодія між бактеріофагами — вірусами, що вражають бактерії, — та їхніми бактеріальними носіями може якимось чином провокувати стійкість бактерій до фагів.
Дельбрюк потрапив у цю сферу діяльності ненавмисно. Розчарований фізик емігрував до США з Німеччини через неприязнь нацистського режиму та зацікавився ідеєю моделювання генетики з використанням уявлень, запозичених з квантової механіки та атомної теорії.
Під час дослідження в Каліфорнії він зустрів дослідника, який вивчав нещодавно охарактеризовану бактерію під назвою Escherichia coli, вирощену зі стічних вод Лос-Анджелеса. Дослідник знайшов фаг, який полював на кишкову паличку. Дельбрюка вразило те, наскільки просто було ідентифікувати та підрахувати окремі частинки фага за допомогою мікроскопа.
«Ви могли б покласти їх на тарілку з газоном бактерій, і наступного ранку кожна вірусна частинка проїла б макроскопічний отвір розміром 1 мм [0,04 дюйма] в газоні», – розповідав Дельбрюк в усній історії, зробленій у 1970-х роках. «Мені здавалося, що це перевершує мої найсміливіші сподівання щодо проведення простих дослідів з чимось на зразок атомів у біології».
Дельбрюк (стоїть) та Лурія (сидить) досліджують чашку Петрі в лабораторії Колд-Спрінг-Харбор у 1941 році. Вони познайомилися в лабораторії в грудні 1940 року та розпочали співпрацю з вивчення бактерій та фагів, яка згодом принесла їм Нобелівську премію. (Зображення: Universal History Archive через Getty Images)
У грудні 1940 року в лабораторії Колд-Спрінг-Харбор у Нью-Йорку Дельбрюк зустрів Лурію, італо-єврейського лікаря. Як і Дельбрюк, Лурія втік від нацистів, і, подібно до Дельбрюка, він був незадоволений обраною спеціальністю.
Лурія бачив деякі перші роботи про фаги, а також захопився ідеєю використання фагів для дослідження генів, ніби вони є сукупністю атомів. У той час люди розуміли саму концепцію генів, але мало що знали, з чого вони складаються.
Приблизно через дев’ять місяців після знайомства вони вирішили перевірити, чи можуть фаги викликати резистентність у кишкової палички. Вони не знали, як діяти далі, поки Лурія не поговорив з колегою, який грав у слоти. Він усвідомив, що статистику можна застосовувати для розрізнення випадкових мутацій та тих, що спричинені фагами, — інакше кажучи, для визначення напрямку причини та наслідку.
Вони заповнили купу пробірок кишковою паличкою (E. coli), а потім піддали бактерії впливу фагів та послідовно культивували їх на чашках. Вони міркували, що якщо мутації будуть набуті, то на всіх чашках розвинеться E. coli з мутаціями резистентності приблизно в ідентичних пропорціях і лише після внесення фага на чашки. На противагу цьому, якщо мутації виникнуть довільним чином, кількість резистентних бактерій між культурами буде більшою варіацією; деякі будуть «чашками-джекпотами» з набагато більш резистентною E. coli, оскільки вони випадково розвинуть гени резистентності на ранніх стадіях росту культури, а не пізніше.
Це стало відомим як «тест на флуктуації», і дует оприлюднив свої висновки, що підтверджують довільне зародження мутацій у бактерій, у 1943 році.
Того ж року вони почали співпрацювати з Альфредом Герші, хіміком-мікробом, який на той момент працював у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі. Трійця згодом довела, що фаги містять більше одного гена, і що віруси можуть обмінюватися генетичною інформацією один з одним у межах однієї бактерії, що відомо як генетична рекомбінація. Пізніше Герші та його колега Марта Чейз довели, що носієм цієї генетичної інформації є ДНК. Герші, Лурія та Дельбрюк отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини 1969 року за їхній внесок у генетику.
Цікаво, що хоча їхня робота закріпила дарвінівську гіпотезу про те, що природний добір діє на основі випадкових змін, деякі новіші дослідження показують, що не всі мутації є абсолютно випадковими. Частота мутацій у «важливих генах» відбувається з нижчою швидкістю, ніж у більш випадкових, принаймні у деяких рослин. А недавні дослідження показують, що якби команда обрала для вивчення іншу бактеріальну та фагову систему — наприклад, ту, яка використовує бактеріальну імунну систему CRISPR для боротьби з фагами, — статистичні результати не були б настільки чіткими.
ТЕМИ
Sourse: www.livescience.com