Генрих Эрлих - Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия

Вообще, длительные опыты в области медицины, зоологии, ботаники или сельского хозяйства проводятся с завидной регулярностью. Где-то внимательно следят за образом жизни участников исследования и его последствиями для здоровья, причем выводы зачастую имеют заметную маркетинговую направленность; скажем, китайцы не устают отмечать полезность потребления зеленого чая, французы – красного вина, а итальянцы – оливкового масла, то есть важных экспортных товаров каждой из этих стран. Где-то десятилетиями или даже веками наблюдают за популяцией животных. Селекционеры на протяжении многих лет изучают результаты своих трудов; агрономы, столетиями возделывая одну и ту же делянку, следят за истощением почвы и воздействием на этот процесс севооборота.

Некоторые длительные эксперименты направлены на изучение самих основ мироздания. Так, с февраля 1988 года в Мичиганском университете под руководством Ричарда Ленски наблюдают эволюцию живых существ. Для участия в эксперименте взяли хорошо известный лабораторный клон кишечной палочки, разделили культуру на 12 частей и разложили по баночкам. Кишечная палочка хороша тем, что изучена вдоль и поперек, к тому же выбранный штамм не способен к половому процессу – не может обмениваться фрагментами генетической информации: ученые хотели быть уверенными, что каждая новая мутация передается только через деление клетки. Исходно не было генетического разнообразия во всей культуре, за одним исключением – в половине баночек был мутант, приспособившийся перерабатывать арабинозу. Его оставили для последующих опытов по сравнению популяций – мутант дает отличающуюся окраску при обработке красителем. Так начался эксперимент по эволюции 12 независимых линий.

Бактерии живут в питательном растворе, но их еды – глюкозы – в нем немного, только чтобы выжить. Ежедневно исследователи отбирают каплю этого раствора и переносят в новую баночку. Каждое 500-е поколение, а оно получается на 75-й день, замораживают для будущих исследований и время от времени проводят секвенирование генома. С начала эксперимента сменилось уже более 66 000 поколений. Бактерии постепенно приспособились к малому количеству еды – стали крупнее предков, причем конца процессу укрупнения не видно: он идет по степенному закону. Быстрее всего приспособление проходило в первые 2000 поколений – это отражалось и на размере клеток, и на их "здоровье" – скорости роста по сравнению с предковыми поколениями. В 5000-м поколении одна из линий разделилась на две субпопуляции с большими и малыми колониями: первые процветали, когда глюкозы было относительно много, а вторые – когда ее почти всю съедали.

Как и положено, у бактерий накапливались мутации. Интересно, что в трех линиях из двенадцати частота мутаций в ходе эксперимента возросла в 25 раз, что было связано с мутацией в гене, отвечающем за ремонт ДНК. Последствия в одной линии стали заметны невооруженным глазом: в 33 127-м поколении раствор резко помутнел, что свидетельствует о быстром размножении бактерий. Оказалось, что они научились потреблять не только глюкозу, но и цитрат – соль лимонной кислоты, концентрация которой в питательном растворе была в 20 раз больше, чем глюкозы. Анализ предшествующих поколений показал, что мутация возникла в 31 500-м поколении, в 32 500-м мутанты заняли 19 % популяции, в 33 000-м почти вымерли, в 33 127-м вытеснили всех немутантов. А в 45 000-м поколении мутанты взяли и вымерли. Удивительно, но, имея на руках всю историю генетических изменений, исследователи не могут определить, с чем связаны такие резкие колебания. Более того, лишь к 2014 году стало более-менее ясно, в каких генах накапливались изменения, позволившие бактериям усваивать цитрат.

Этот результат вызвал новые споры. Бактерии, изучаемые в параллельном эксперименте, в группе исследователей во главе со Скоттом Миннихом из Университета Айдахо, приспособились усваивать цитрат из той же, бедной питанием, среды очень быстро – всего за сто поколений, то есть за пару недель [100] Dustin J. Van Hofwegen, Carolyn J. Hovde, Scott A. Minnich Rapid Evolution of Citrate Utilization by Escherichia coli by Direct Selection Requires citT and dctA. Journal of Bacteriology , 2016, 198 (7): 1022–1034. DOI: 10.1128/JB.00831–15 . Естественным образом возник вопрос: отчего же в опытах Ленски такая способность появилась всего в одной линии за более чем десять лет? Последовавшая за этим дискуссия, по сути, оставила данный вопрос без ответа.

Какая же мораль следует из историй, рассказанных в этой главе?

Опыт с каплей, особенно неспособность даже современной аппаратуры зафиксировать момент ее отрыва, ставит перед эпистемологией – наукой о получении научных знаний – серьезнейший вопрос: как нужно наблюдать редко случающиеся явления и вводить их в область научного знания? В самом деле, если не удается зафиксировать вполне ожидаемое явление, то как доказать реальность явления неожиданного, вроде пролетевшего НЛО или появления снежного человека? Или, если не выходить за рамки научного знания, как зафиксировать момент появления нового патогена? История СПИДа свидетельствует, что надежного инструмента нет: синдром приобретенного иммунодефицита был описан в 1981 году, вирус открыт двумя годами позже, и лишь в 2007 году реконструировано его распространение, причем выяснилось, что вирус попал в человеческую популяцию еще в начале ХХ века. Иными словами, на протяжении десятилетий случаи ВИЧ-инфекции врачи не фиксировали или диагностировали ошибочно, пока инфекция не перестала быть редким явлением.

Современная наука построена на повторяющихся результатах, воспроизводимых в разных лабораториях. Но длительные опыты невозможно воспроизвести в обозримое время, поэтому трудно понять, что было не так в опытах Ленски с цитратом. К сожалению, никакой работающей методики для фиксации крайне редко случающихся явлений нет, что порождает домыслы и взаимные подозрения в нечистоплотности как в научной среде, так и в среде энтузиастов – любителей непознанного. Теперь-то очевидно, что причина конфликта в неразрешенности неких базовых вопросов философии науки.

Лонгитюдные исследования возникновения и развития различных заболеваний – вещь, несомненно, важная и полезная, но их результат в какой-то мере предопределен. Понятно, что если человек курит, то он рано или поздно докурится до заболевания легких, а если много пьет спиртные напитки или ест жирную пищу, то печень в конце концов не выдержит. Вопрос тут только в том, когда это произойдет.

Другое дело – исследование когнитивных способностей, памяти, обучаемости и особенно такого туманного и непонятного явления, как креативность. Как ее оценивать, желательно количественно? Как учесть индивидуальные особенности? Ведь, как ни оценивай креативность, изначально понятно, что у разных людей она варьирует в очень широких пределах и усреднять ее по выборке еще бессмысленнее, чем рассчитывать среднюю температуру пациентов по больнице. И как, наконец, заставить подопытных креативить в нужный момент, если творчество – процесс сугубо интимный и спонтанный?