Самая главная молекула

Лурии и Дельбрюку было прекрасно известно, что, если на чашку Петри содержащую и питательный агар, и фаг, убивающий данный штамм, высеять бактерии, подавляющее количество из них погибнет, но отдельные клетки выживут. И исследователи задались вопросом: эти устойчивые клетки есть мутанты, уже присутствовавшие среди нормальных клеток до их соприкосновения с фагом, или малая доля клеток приобрела иммунитет против фага в момент контакта с ним? Иными словами, является устойчивость к фаговой инфекции результатом случайной мутации или это благоприобретенный признак? Чтобы различить эти две возможности, опыт был поставлен следующим образом.

Рис. 23. Схема опыта Лурии-Дельбрюка

Выращенные в питательном бульоне клетки были тщательно перемешаны и разделены на две равные части. Из одной половины клеток, показанной на рис. 23 справа, были при помощи пипетки сразу же взяты пробы определенного объема и высеяны на чашки Петри с агаром и фагом. Вторая половина, та, что слева, была сначала разлита в то же число пробирок, сколько чашек Петри справа, проинкубирована достаточное время, чтобы клетки могли размножиться, и только потом из каждой пробирки, после тщательного перемешивания, была взята своя проба того же объема, что и в случае справа, и высеяна на свою чашку Петри (рис. 23). Затем, дав выжившим клеткам время размножиться, образовавшиеся колонии были посчитаны во всех чашках Петри. Какой результат следовало ожидать в случае мутационной гипотезы, а какой – в случае гипотезы приобретенного иммунитета, т. е. наследования благоприобретенных признаков?

Ясно, что в случае приобретенного иммунитета результат опыта в обоих случаях (левая и правая сторона рис. 23) должен быть один и тот же, ведь иммунитет приобретается в момент контакта между бактерией и фагом, так что манипуляции с клетками до такого контакта значения не имеют.

Так что в случае иммунитета Лурия и Дельбрюк должны были наблюдать примерно одинаковое число колоний в чашках Петри, как в левом случае, так и в правом. Конечно, поскольку иммунитет приобретается случайно, малой частью бактерий, количество колоний в разных чашках должно немного флуктуировать, подчиняясь так называемому пуассоновскому распределению. Если же верна мутационная гипотеза, то пуассоновское распределение должно наблюдаться только для постановки опыта, как в правой части рис. 23; для постановки опыта согласно схеме слева распределение не должно быть пуассоновским. Пуассоновским должно быть в этом случае распределение мутантов по пробиркам. После наращивания бактерий в пробирках и высевания их на чашки Петри распределение колоний должно быть гораздо более широким, чем пуассоновское. В самом деле, можно ожидать, что в каких-то чашках вообще не окажется колоний, но практически не должно быть чашек с одной или несколькими колониями, так как, даже если в пробирке оказалась только одна мутантная клетка, она многократно размножилась за время инкубации и высевание даст множество колоний.

Проверить, является ли распределение пуассоновским, очень просто. Если через m1 m2 … m10 обозначить число колоний в соответствующей чашке Петри (предположим, что их 10), то для пуассоновского распределения должно выполняться равенство:

(m₁+ m₂ +…m₁₀) / 10 = (m₁² + m₂² +…m₁₀²) / /10 – (m₁ + m₂ +…m₁₀)² / 100

Иными словами, для пуассоновского распределения среднее значение (левая часть равенства) должно совпадать с дисперсией (правая часть).

Теперь давайте посмотрим, что же Лурия и Дельбрюк наблюдали экспериментально в своей работе 1943 года. В случае левой части на рис. 23 значения m были следующими:

14, 15, 13, 21, 15, 14, 26, 16, 20, 13.

Подставив эти значения в левую часть равенства, получим 16,7, подставив в правую, получим 16,4. Вывод ясен: Пуассон. Теперь посмотрим, что получилось в случае опыта, поставленного по схеме слева на рис. 23:

107, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 64, 0, 35.

Среднее (левая часть равенства) не сильно отличается от предыдущего случая, оно получается 20,7, но дисперсия (правая часть равенства): 1268,7! Ничего похожего на пуассоновское распределение.

Своим, ставшим классическим, опытом, повторенным разными исследователями на разных парах бактерия-фаг тысячи раз, Лурия и Дельбрюк вбили последний гвоздь в гроб концепции наследования благоприобретенных признаков, в котором (гробу) она (эта концепция, известная также как ламаркизм) пролежала 60 лет, а потом взяла да воскресла. Потому что оказалось, что у бактерий есть система приобретенного иммунитета, специально направленная на защиту от бактериофагов и плазмид, т. е. от вторжения в бактериальную клетку чужой ДНК. Как же такое могло случиться? Неужели в опыте Лурии и Дельбрюка обнаружился какой-то изъян?