Что ответить дарвинисту? Часть II

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.

Например, одна из пяти мутаций, исследовавшихся в этой работе, не увеличивает, а наоборот, снижает устойчивость к антибиотику, поскольку соответствующий фермент, получив эту мутацию, начинает разрушать данный антибиотик медленнее, чем без этой мутации. Зато эта мутация заметно повышает стабильность («время жизни») этого фермента в цитоплазме самой бактерии. Другая мутация приводит к тому, что соответствующий фермент начинает разрушать антибиотик быстрее. Но зато из-за этой мутации фермент становится менее стабильным (сам быстрее разрушается). А вот двойной мутант по только что озвученным мутациям – уже имеет резко повышенную устойчивость к антибиотику. Потому что соответствующий фермент (с этими двумя мутациями), с одной стороны, быстрее разрушает антибиотик, а с другой стороны, сам «живет» внутри бактериальной клетки дольше. Получается, что например, первая мутация вообще не сможет закрепиться в колонии бактерий до тех пор, пока бактерия не получит вторую мутацию.

То есть, каждая из пяти мутаций определенным образом изменяет конформацию соответствующего белка (фермента, расщепляющего антибиотик). И теоретически, каждое такое изменение может либо «разрешить», либо, наоборот, «запретить» закрепление следующей мутации (вследствие отрицательного отбора).

Поэтому авторы исследования экспериментально проверили все возможные варианты, в каком порядке могли бы появляться 5 нужных одиночных мутаций. Число этих вариантов 120 (факториал из 5). И действительно, обнаружили несколько путей (из возможных 120), с помощью которых каждая из 5 конкретных мутаций, возникая, повышала в той или иной степени устойчивость к антибиотику, пока, наконец, все 5 нужных мутаций не давали бактерии практически полную защиту от антибиотика (повышали устойчивость бактерии к цефотаксиму в 100 тысяч раз).

Таким образом, авторы работы (Weinreich et al., 2006) показали на практике, что метод «полного перебора» даже при величине «шага» всего в одну мутацию – может приводить к весьма впечатляющим результатам, надежно защищая бактерий от непредсказуемых условий среды.

Правда, остался невыясненным вопрос, а что будет, если для достижения результата (возникновения полезного признака или свойства) нужно не 5 одновременных мутаций, а например, 20? Найдется ли в этом случае непрерывная «дорожка» из отдельных «шажков», каждый из которых будет повышать приспособленность? Или уже не найдется?