У описанной проблемы есть много аспектов:
• Эволюционные механизмы «привыкания» бактерий к яду.
В отличие от людей и других многоклеточных эукариот, время жизни индивидуальных бактерий намного меньше продолжительности эксперимента. Поэтому в данной ситуации речь идет не о физиологическом эффекте привыкания индивидуума (как в случае с графом Монте-Кристо), а об адаптации на уровне популяции.
Присутствие яда, даже в малых дозах, может приводить к гибели части бактерий или снижении темпов деления и роста клеток (некоторых или даже всех). Таким образом, возникает давление отбора на популяцию, при котором бактерии, генетически менее чувствительные к яду, размножаются быстрее и в конце концов могут полностью вытеснить из популяции более чувствительных родственников (фиксация благоприятных аллелей). Важно отметить, что повышенная приспособленность этих аллелей может проявляться только в присутствии яда, а в нормальных условиях носители аллелей устойчивости к яду могут и уступать в приспособленности бактериям дикого типа.
Также важно соотношение скоростей рекомбинации и давления отбора. Большинство живых организмов имеют механизмы, позволяющие им обмениваться генетическим материалом с другими индивидуумами. Прокариоты используют для этой цели различные механизмы обмена генами, от обмена частями хромосом и плазмидами с живыми партнерами до непосредственного захвата и встраивания в собственный геном фрагментов «голой» ДНК из окружающей среды. Такая рекомбинация сильно повышает вероятность и «удачных» комбинаций мутаций, и избавления от вредных мутаций.
Из рассмотрения описанных условий эксперимента («в присутствии малых, постепенно повышающихся доз яда») можно сделать еще одно наблюдение, важное для дальнейших рассуждений. Если бы все аллели, необходимые для устойчивости к большим дозам яда, присутствовали в популяции с самого начала во всех возможных комбинациях, отбор мог бы произойти очень быстро, и эксперимент мог бы начаться сразу с максимальных доз. Тот факт, что для достижения максимальной устойчивости требуется длительное время и постепенное повышение доз, указывает не просто на отбор ранее существовавших генотипов, но на возникновение новых генотипов путем мутаций или рекомбинации.
• Биохимические аспекты действия ядов. Яды могут нарушать жизнедеятельность клеток, например, следующими способами:
- Непосредственно разрушая различные клеточные структуры (например, нарушая целостность мембраны и клеточной стенки или разрушая хромосомы).
- Специфически нарушая активность ферментов и иных молекулярных машин (например, ингибируя дыхательны-еферменты или блокируя сайты связывания тРНК в рибосоме).
- Вызывая повышение скорости мутаций до уровня, когда естественный отбор не справляется с накоплением вредных мутаций, что приводит к постепенному вырождению популяции.
- Активным поражающим действием могут обладать как сами яды, присутствующие в среде, так и вторичные продукты их метаболизма. В последнем случае защита от яда также может быть направлена на промежуточные звенья метаболической цепи с целью не допустить появления токсичных метаболитов.
• Молекулярные механизмы приобретения устойчивости к яду. Бактерии могут приобретать генетическую устойчивость к ядам с использованием следующих механизмов:
- Механизмы, предотвращающие попадание яда в клетку. Это может достигаться изменением состава и структуры мембран или клеточной стенки, путем изменения свойств (или регуляции активности) ферментов, производящих компоненты этих структур или молекулярных машин, участвующих в их сборке.
- Механизмы, обеспечивающие удаление яда из клетки. У многих бактерий существуют транспортные системы, выбрасывающие молекулы ядов во внеклеточное пространство. Увеличение эффективности работы этих систем приводит к повышению устойчивости к ядам. Один из простых и быстрых способов увеличить активность какой-то генетической системы — это увеличение числа копий кодирующих ее генов в геноме (амплификация); другой механизм — модификация промоторов этих генов, приводящая к увеличению экспрессии (сверхэкспрессия).