Е.Л. Головлев МИКРОБИОЛОГИЯ том 68 № 6 1999


Чем истинный Ученый, т. е. один из тех немногих деятелей науки, который своим талантом, прозрениями и трудом определяет ее направления развития, базовые идеи и концепции, положение в системе культуры и практической деятельности человека, - чем он отличается от тысяч и тысяч эпигонов и ремесленников разного ранга, от старшего лаборанта до академика, разрабатывающих, дорабатывающих (иногда - с блеском) сформулированные, намеченные, намеком обозначенные мысли тех, кто были первыми?

Рискнув задать этот сакраментальный вопрос, рискну на него ответить так: истинный талант отличается от посредственности, конечно же, многим, но одна из главных, характерных для работников науки такого масштаба черт - наличие собственной философии объекта своего интереса и своих исследований. Многим этот ответ покажется частным, легковесным или претенциозным, спорным и даже вздорным. Впрочем, чтобы почувствовать правомочность его и смысл, достаточно обратиться к наследию нескольких славных поколений российских микробиологов, работавших (наверное, точнее будет сказать - "творивших") особенно плодотворно в первой половине XX века. "Обратиться к наследию" - значит внимательно перечитать не только общепризнанные, широко известные и особенно ценимые следующими поколениями исследователей труды, но, в частности и в особенности, и то, что написано ими в период начала расцвета их творческой активности. И, можно не сомневаться, что за старомодным слогом и манерой аргументации, за словесными ухищрениями, цель которых - вывести себя из-под удара жестокой и неумолимой машины идеологического террора "советского творческого дарвинизма", помноженного на сталинский тоталитаризм, мы найдем многое, что с опозданием на несколько десятилетий заново открывается, но уже другими авторами, приобретает популярность, становится предметом моды, но уже в связи с другими (и, увы, чаще всего - зарубежными) именами.

Виноваты в этом здесь, впрочем, не только недостатки преподавания истории науки в университетах и, потому, невежество следующих поколений исследователей, и не недостаточная широта мышления эпигонов, но и фундаментальные законы развития науки, которые действуют так же неумолимо и бесстрастно в истории науки, как и в любой другой сфере человеческой деятельности.

Одним из таких фундаментальных законов является развитие и усиление редукционистской методологии по мере развития науки или направления. Причем не редукционизма "вообще" как болезни современной, ставшей слишком технологичной во второй половине XX века биологической науки, не редукционизма как врожденного порока отдельных ученых и признака их профессиональной творческой ограниченности, не редукционизма как увлечения эмпиризмом в ущерб теоретическому анализу. Речь идет о закономерном углублении в частные аспекты, стремлении "докопаться до механизмов", глубоко проработать отдельные разделы и детали созданного вначале концептуально, может быть, в значительной степени - умозрительно, можно сказать - натурфилософски, но по сути иногда - грандиозного конструкта. И, как закономерность, позднее именно эти частные разделы (на самом деле -фрагменты), обогащенные новым и большим экспериментальным материалом, основанные на более жесткой и доказательной логике, снабженные и усиленные с помощью использования часто изощренного математического аппарата, новейшей аппаратуры и аналитической техники, прежде всего и привлекают внимание последователей как самостоятельные и крупные проблемы, начиная, таким образом, собственную независимую жизнь в науке.

Так и существует одна наука в двух ипостасях: одна - изначально сформированная, как правило -комплексная и тяжеловесная для восприятия, но многогранная, многоаспектная, сложно организованная концепция - идея-система-конструкция, с пока еще плохо понимаемой иерархией подсистем, пытающаяся априори учесть богатство, сложность и разнообразие внутрисистемных и внешних связей. Вторая - возникшие из и на базе первой углубленные исследования, как правило, деталей и механизмов разных разделов первичной конструкции, формирование на их базе новых, крупных, хотя и более частных, проблем и направлений, генезис которых уже не только забыт, но уже и как будто не важен. Новые данные, новые результаты позволяют приходить к новым выводам и формулировать новые идеи, многие (ну, скажем, - некоторые) из которых в лучшем случае - повторение хорошо забытого старого, но иногда - и движение вспять. И крайне редко приходится слышать, как автору этих строк, фразу типа "Это обнаружили русские микробиологи еще в 30-х годах" (речь шла о так называемой "микробиологической петле" в экологии озера), "сейчас нам приходится многое открывать заново".

Чтобы было яснее, что автор имеет в виду в статье, посвященной творческому наследию академика Николая Дмитриевича Иерусалимского, представим невероятное: будто некий почтенный научный кворум от микробиологии принялся играть в детскую игру "слова-ассоциации". Вопрос:

- какие ассоциации возникнут в аудитории в связи с именем Н.Д. Иерусалимский?

Мысленные эксперименты - вещь всегда рискованная, но почти со 100%-ной уверенностью можно предвидеть, что будет назван следующий список проблем, тем и достижений:

- развитие теории непрерывного культивирования,

- развитие математического моделирования вмикробиологии,

- математическое описание и модель торможения роста микробной культуры продуктами обмена,

- разработка проблем физиологии лимитированного роста микробной культуры,

- исследования в области контроля физиологии растущей культуры макромолекулярными механизмами клетки,

- развитие теории и математическое описание динамики роста и развития микробной популяции в условиях периодического культивирования,

- исследование физиологии бактериальных брожений - ацетонобутилового, пропионовокислого, маслянокислого, уксуснокислого,

- исследование азотного и витаминного питания бактерий,

- участие в создании промышленного получения некоторых продуктов бактериального брожения,

- учебник "Основы физиологии микробов",

- теоретическая разработка и участие в организации промышленного производства дрожжевых белково-витаминных концентратов на базе нормальных парафинов нефти,

- разработка первых отечественных аппаратов для непрерывного контролируемого культивирования микроорганизмов и участие в создании опытно-конструкторского и промышленного выпуска таких ферментационных комплексов.

Возможно, что будет названо что-то еще, менее значимое. Но можно почти не сомневаться, что будет обойдена молчанием проблема, которую Н.Д. Иерусалимский считал главным делом своей научной биографии, - теория бактериальной культуры.

Явная тривиальность, на слух современного микробиолога, названия этого научного направления на самом деле кажущаяся: это связано с неоднозначностью интерпретации термина "бактериальная культура". Если в сознании современного микробиолога "теория бактериальной культуры" неизбежно связывается с теорией управляемого культивирования бактерий в соответствующих аппаратах, как правило - в гомогенных условиях и с применением соответствующих аналитических и технических средств, то Иерусалимский применял понятие "культура" даже шире, чем современная "популяция", причем природная популяция при всей сложности и нестабильности природных условий ее существования как в пространстве, так и во времени.

Теории бактериальной культуры посвящена прежде всего докторская диссертация Николая Дмитриевича под названием "Физиология развития чистых бактериальных культур" [1], защищенная им в 1952 г., - труд, глубоко фундаментальный по сути и впечатляющий по объему: два тома, 787 страниц машинописного текста, список литературы на 57 страниц (более 1000 источников).

Иерусалимский утверждает, что создал "теорию бактериальной культуры" как альтернативу трем другим господствовавшим в то время в мировой литературе теориям. Что было отправными точками этой теории, вернее - от чего отталкивался Николай Дмитриевич при ее разработке?

Сам он называет три такие отправные точки -три господствующие в то время (приблизительно с начала века до 50-х гг.) в мировой литературе тенденции трактовать физиологию, динамику и прежде всего изменчивость в бактериальных культурах. Условно он называл их теориями: популяционная, онтогенеза бактериальных культур и теория реактивности. Критика положений именно этих трех теорий была сосредоточена при разработке Иерусалимским своей "теории бактериальной культуры".

Сторонники первой, популяционной теории рассматривали бактериальную клетку как обособленный индивидуум, хотя и одноклеточный, но биологически эквивалентный более высокоорганизованным существам. Феномен колонии и ее биологический смысл игнорировались. Каждая клеточная генерация считалась равносильной индивидуальной жизни, а бактериальная культура - суммой независимых особей. На этом фоне разного рода генетическая изменчивость приводит к механической смеси генетических вариантов, отбор и конкуренция определяют ее состав и суммарные свойства в каждый момент, но в целом такая динамика бактериальной культуры идентична скорее филогенезу, чем онтогенезу [1,2].

То, что Иерусалимский называет "теорией онтогенеза бактериальных культур", в современной ему литературе это фактически своеобразный вариант органицизма: она ставит знак равенства между возрастными изменениями тканевых клеток многоклеточного организма и изменением бактериальных клеток в развивающейся культуре. С этой точки зрения развитие бактериальной культуры - процесс, безусловно, онтогенетический, с одной лишь оговоркой - он аналогичен и мало чем отличается от онтогенеза высшего организма.

Согласно третьей точке зрения, любые изменения, происходящие в культуре, - это проявление непосредственных реакций на изменения условий среды. Ни о каком цикле развития не может быть и речи, а влияние "возраста" культуры на ее метаболизм - не более чем артефакт [2].

Любопытно рассмотреть эти "отправные точки" глазами современного микробиолога. Искушенный читатель легко увидит в критикуемой Иерусалимским "популяционной теории" классический фрагмент синтетической теории эволюции, господствовавшей многие десятилетия в биологии, с характерной для нее опорой на стохастические процессы и с таким же характерным для того времени влиянием на биологию физических парадигм, например - модели идеального газа. Вспомним, что этим принципам вполне соответствовали и предложенная в 1933 г. Клюйвером и Перкеном [3] погруженная, перемешиваемая на качалке культура, и вся последующая многолетняя история гомогенной непрерывной культуры (см., например, [4]). До настоящего времени для микробиологов очень привлекательны идеи, что клетки в культуре, особенно в выделенном из одной колонии варианте, идентичны фенотипически, потому что не накопили еще достаточного диапазона генетического разнообразия, а если и различаются между собой в каждый отдельный момент, то только в результате асинхронности клеточных циклов. До сих пор считается, что в условиях достаточного перемешивания нет различий, детерминируемых средой. До сих пор абсолютным законом является требование, чтобы в достоверном микробиологическом эксперименте культура была гомогенной. Понятно поэтому, что в математическом моделировании растущих микробных культур доминируют неструктурированные нераспределенные модели, описывающие, по сути дела, лишь период наиболее активного роста.

Что касается "теории онтогенеза", сильно замешанной на вульгарном органицизме, то достаточно напомнить шумный успех и популярность на уровне высокой моды появившуюся в самое последнее время концепцию бактериальной колонии как организма [5].

Что касается "теории реактивности", то она в полной мере остается общепринятой и в наши дни, если не считать немногочисленных попыток учесть аутогенные процессы в развитии бактерий и их культур, а также более активные в последние 5-10 лет исследования процессов старения клеток [6, 7].

Основной вывод из рассмотрения основных положений, которые критиковал и отрицал Иерусалимский полвека назад, в основной своей части незыблем до сих пор и признается большинством микробиологов. Сомнения в справедливости перечисленных концепций, постулатов и моделей микробной культуры нарастают постепенно и медленно лишь в течение последних 5-10 лет.

Что же противопоставлял Иерусалимский своим оппонентам?

Фенотипическая гетерогенность культуры при стабильном генотипе у него не вызывала сомнений. Естественно, в первую очередь он связывал ее с асинхронностью клеточных циклов отдельных клеток. Особенно наглядно он показал это на примере спорообразующих бактерий. На приведенной им схеме [1] видно, что у ацетонобутиловых клостридий уже через 5-6 ч после начала деления единственной клетки культура становится все более гетерогенной, включая в разных соотношениях вегетативные клетки, проспоры и споры на разных этапах развития, инволюционные и отмирающие клетки, фильтрующиеся ("невидимые в микроскоп") формы. Стохастические процессы, приводящие к тому, что при делении вегетативных клеток образуются неидентичные по многим признакам дочерние клетки, а также диссоциация культуры по морфологическим признакам колоний еще более способствуют возрастанию этой гетерогенности.

В целом, опираясь на тезис Лысенко, Иерусалимский исходил из того, что каждый организм никогда не реализует в полном объеме свой биологический потенциал. Для различных типов развития, которые в разных условиях реализуют бактерии, он предложил термин "приспособительная модификация". "Фенотип и модификация суть результат реализации некоторых из числа наследственных возможностей организма" ([11], с. 148). "Поскольку модификации носят приспособительный характер и не ведут к вырождению и гибели микробов, постольку очевидно, что вызывающие их внешние условия неоднократно повторялись в процессе эволюции, а поэтому были микробами освоены и вошли в число их наследственных потребностей" (там же). Следует подчеркнуть, что Иерусалимский четко отличал "приспособительные модификации" от адаптивного и конститутивного синтеза ферментов - феноменов, о которых он упоминает [11], ссылаясь на работу Карстрема 1930 г. [12].

Не вызывает сомнения, что под "приспособительными модификациями" имелись в виду "фе-нотипические окна генома" Серебровского и "адаптивные нормы реакции" Шмальгаузена [13]. Это подтверждает и фраза "Каждый вид бактерий приспособлен к одному или нескольким, но вполне определенным комплексам условий". Это является показательным примером, как крупные ученые в условиях того времени приходили к идентичным выводам в своей экспериментальной работе, но, учитывая конъюнктуру, вынуждены были лавировать, вписываясь в фразеологию "творческого советского дарвинизма", что нанесло непоправимый ущерб их репутации в дальнейшем. Это коснулось и Иерусалимского. Мы, его ученики 60-х гг., знаем, что Николай Дмитриевич не любил вспоминать о своей диссертации по этой причине, которая с точки зрения содержательной на самом деле является одним из самых глубоких теоретических и масштабных трудов в области мировой микробиологии XX столетия.

Принципиально важно подчеркнуть, что Иерусалимский считал фенотипическую гетерогенность культуры не только применительно к условиям периодического выращивания и не только в связи с изменением качества среды в процессе роста. Сам он не успел экспериментально показать это и для условий сбалансированного роста, но ученики и коллеги восполнили этот пробел на примере экспоненциально растущей Bacillus megaterium [8].

Это явно отражало предвидение фенотипических вариаций, все новые варианты которых открываются в последние годы - не только известная еще с начала века диссоциация, но и другие фенотипические вариации в рамках одного и того же генотипа, за которые ответственны не менее десятка разных механизмов. Но осознание этого пришло к современным микробиологам лишь в самое последнее время (см. обзор [9]).

Итак, бактериальная культура крайне гетерогенна фенотипически, не является механической смесью идентичных или очень сходных клеток. А с этим выводом, по крайней мере отчасти, связан другой, не менее важный: "...микробная культура во взаимодействии с окружающей ее средой развивается как нечто целое" [1].

Гетерогенность культуры, различная реакция разных клеток на изменения среды, патологии и диссоциация - все это вовсе не предполагает, что ее рост - процесс хаотический. Направление последовательных изменений физиологического состояния, различных фаз индивидуальных клеток имеет общее направление, а достижение определенно�