Конкурирующие теории пытаются объяснить несоответствия, связанные со знаменитым открытием Александра Флеминга.
«Я не изобрёл пенициллин. Это сделала природа. Я только случайно его обнаружил».
—Александр Флеминг
Многие знают историю о случайном открытии пенициллина Александром Флемингом. Флеминг, немного рассеянный профессор (и немного неряха), оставил чашки Петри с культурой стафилококков на лабораторном столе, когда уехал в летний отпуск. Когда он вернулся, он обнаружил, что одна из чашек была заражена «плесенью», вероятно, попавшей в неё через открытое окно. Перед тем как выбросить чашку, он заметил, что в «кольце смерти» вокруг плесени бактерии исчезли. Что-то в «плесневом соке» убило стафилококки.
Флеминг немедленно приступил к исследованию этого странного нового вещества. Он идентифицировал плесень как Penicillium rubrum и назвал вещество пенициллином. Позже он был переименован в P. notatum, затем в P. chrysogenum, а совсем недавно — в P. rubens.
Учёный опубликовал свои открытия весной 1929 года в British Journal of Experimental Pathology. Причины, по которым Флеминг не продолжил исследования пенициллина, объясняются множеством технических, институциональных и личных факторов, история которых могла бы стать темой отдельного эссе.
Но десять лет спустя фармаколог Говард Флори и биохимик Эрнст Чейн из Оксфорда продолжили работу Флеминга. Совместно с лабораторией Министерства сельского хозяйства США в Пеории, штат Иллинойс, они превратили пенициллин в спасающее жизни лекарство и положили начало эре антибиотиков.
Это тот вид научной истории, который нравится всем. История о счастливом стечении обстоятельств и случайном открытии, о случайном наблюдении, которое изменило мир. Но так ли это было на самом деле?
На протяжении десятилетий учёные и историки ломали голову над несоответствиями в рассказе Флеминга. Во-первых, окно в лабораторию Флеминга редко (если вообще когда-либо) оставляли открытым, именно для того, чтобы предотвратить загрязнение, которое, как предполагается, привело к открытию пенициллина. Во-вторых, эта история поразительно похожа на более раннее открытие Флемингом лизоцима, другого антибактериального вещества, которое также было связано со счастливым загрязнением из открытого окна. В-третьих, Флеминг утверждал, что обнаружил историческую чашку с культурой 3 сентября, но первая запись в его лабораторном дневнике датирована 30 октября, почти двумя месяцами позже.
И наконец, самое важное: пенициллин действует только в том случае, если он присутствует до появления стафилококков. Флеминг тогда этого не знал, но пенициллин препятствует синтезу клеточной стенки бактерий, который происходит только при активном росте бактерий. Однако видимые колонии состоят в основном из зрелых или мёртвых клеток. К тому времени, когда колония становится видимой, часто уже слишком поздно, чтобы пенициллин мог оказать какое-либо действие. Фактически, плесень Penicillium обычно даже не растёт на чашке, уже заполненной колониями стафилококков. В течение многих лет учёные пытались повторить первоначальное открытие Флеминга. Все попытки закончились неудачей.
Таким образом, трудно согласовать рассказ Флеминга с этими историческими и научными несоответствиями. Может быть, он неправильно запомнил события 15-летней давности? Может быть, он приукрасил детали, чтобы сделать рассказ более увлекательным? Или, может быть, эксперимент Флеминга подвергся необычному стечению случайных обстоятельств, о которых он сам не знал?
Рассуждения о том, как Флеминг открыл пенициллин, не имеют большого значения по сравнению с его практическим воздействием. Однако наука заключается в оценке доказательств и приближении к «истине». По мере приближения 100-летия открытия пенициллина, которое, несомненно, будет сопровождаться ещё более активным повторением этой истории, мы должны тщательно изучить её достоверность.
Исторические и научные данные ограничены и часто противоречивы. Тем не менее, несколько учёных и историков усердно работали над тем, чтобы собрать воедино достоверные факты и заполнить пробелы своими наиболее вероятными предположениями. Результатом стала целая серия конкурирующих теорий, каждая из которых пытается объяснить, что на самом деле произошло в лаборатории больницы Святой Марии летом 1928 года.
Рассказ Флеминга
История открытия пенициллина Флемингом основывается в первую очередь на этом отрывке из его статьи 1929 года:
Во время работы с разновидностями стафилококков несколько чашек Петри были отложены на лабораторном столе и время от времени осматривались. При осмотрах эти чашки неизбежно подвергались воздействию воздуха и загрязнялись различными микроорганизмами. Было замечено, что вокруг большой колонии загрязняющей плесени колонии стафилококков становились прозрачными и, очевидно, подвергались лизису (см. рис. 1).
«Рис. 1» — это «Фотография чашки Петри». На ней видны отдельные, хорошо развитые колонии стафилококков диаметром около 2-4 мм, распространённые по большей части поверхности чашки. Но на одном крае чётко видна большая колония плесени диаметром около 20 мм, а также вторичная колония-спутник. Она обозначена как «колония Penicillium». Вокруг неё находится зона диаметром около 20 мм, в которой колонии стафилококков либо не видны, либо стали полупрозрачными. Те, что находятся ближе к плесени, меньше остальных, всего 0,4–0,8 мм, а те, что находятся ближе к краю, немного больше, 0,8–1,7 мм. Флеминг обозначил их как «стафилококки, подвергающиеся лизису». Позже Флеминг и его коллеги утверждали, что это была оригинальная загрязнённая чашка, из которой впервые был выделен пенициллин.
На первый взгляд всё просто. Всем известно, что пенициллин уничтожает бактерии, и Флеминг наблюдал, как стафилококки, по-видимому, погибали благодаря плесени, производящей пенициллин.
Однако при более внимательном чтении статьи Флеминга 1929 года становится ясно, что значительная часть работы была либо опущена, либо описана неадекватно. Например, нет описания типа используемой питательной среды; была ли инкубирована чашка; как долго она находилась на столе; и, что наиболее важно, какой вид стафилококков изучался.
При публикации научной статьи от учёных ожидается, что они будут включать подробное описание своих методов наряду с результатами. Как и в рецепте, эти методы должны чётко и исчерпывающе описывать использованные материалы и предпринятые шаги, чтобы другие учёные могли повторить эксперимент. И хотя неполные или плохо описанные методы являются постоянной проблемой, упущение этих ключевых экспериментальных деталей (даже в отчёте о случайном открытии) вызывает удивление.
Это стало проблемой, когда, по мере роста интереса к пенициллину, другие исследователи попытались повторить открытие Флеминга. В 1944 году Маргарет Дженнингс (которая позже вышла замуж за своего давнего коллегу и исследователя пенициллина Говарда Флори) нанесла очищенный пенициллин на чашки с полностью выросшими стафилококками. Это должно было дать более сильный эффект, чем у Флеминга, изображённый на рисунке 1, который, как утверждается, был получен только с помощью сырого «сока плесени» из случайного загрязнителя. Однако Дженнингс не наблюдала никаких видимых изменений.
В 1965 году патологоанатом У. Д. Фостер предпринял аналогичный эксперимент, используя кристаллы пенициллина, которые каплями наносили непосредственно на колонии стафилококков, создавая «астрономические» концентрации в их окрестностях. Но колонии по-прежнему оставались незатронутыми.
Другие попытки повторить эксперимент поставили под сомнение возможность роста плесени на чашке, заполненной стафилококками. Фармаколог Д.Б. Колкхоун утверждал, что в 1955 году он обнаружил, что плесень Penicillium отказывалась расти на чашке, уже заполненной колониями стафилококков. Или, если она всё же росла, то не оказывала видимого влияния на колонии. Однако он мог увидеть эффект при обратной последовательности событий: если плесени сначала давали вырасти в течение нескольких дней, а затем в чашку высевали стафилококки.
Хотя эти неудачи трудно согласовать с рассказом Флеминга, они соответствуют тому, что мы сейчас знаем о биологии пенициллина.
В 1940 году врач А. Д. Гарднер, проводивший исследования вместе с Флори, заглянул в микроскоп, чтобы изучить, как пенициллин влияет на отдельные бактериальные клетки. Удивительно, но взрослые клетки, казалось, практически не подвергались его воздействию; однако, когда они делились, молодые клетки росли «принимая вид огромных опухших нитей». Как праздничные шары, они удлинялись и расширялись, а затем лопались.
«Морфологические изменения, — заметил бактериолог Дж. П. Дугид в 1946 году, — указывают на то, что пенициллин в таких концентрациях специфически препятствует формированию внешней поддерживающей клеточной стенки, в то же время позволяя росту продолжаться до тех пор, пока организм, наконец, не разрывает свою дефектную оболочку и не подвергается лизису». В то время это было в основном предположением. О биологии бактериальных клеточных стенок было известно не так много. Но после десятилетия исследований, в значительной степени мотивированных желанием понять, как действует пенициллин, эта гипотеза в основном подтвердилась.
Клеточная стенка бактерии представляет собой жёсткую сетчатую структуру, состоящую в основном из пептидогликана, крупной макромолекулы, состоящей из небольших субъединиц, сшитых между собой специальными ферментами, называемыми транспептидазами. Задача клеточной стенки — поддерживать форму клетки и предотвращать поглощение ею слишком большого количества воды. Если давление содержимого клетки становится слишком большим для хрупкой клеточной мембраны, она лопается, выплёскивая содержимое клетки. Клеточная стенка, подобно прочной велосипедной покрышке вокруг резиновой камеры, помогает противостоять этому давлению, защищая клетку от механических нагрузок как внутри, так и снаружи.
Однако, в отличие от велосипедной покрышки, клеточные стенки должны иметь возможность расти вместе с клетками, которые они окружают. Чтобы приспособиться к увеличению размера клеток, бактерии постоянно разрушают и восстанавливают пептидогликановую сетку. Именно здесь и вступает в действие пенициллин. Поскольку пенициллин имеет химическую структуру, схожую с субъединицей пептидогликана, он может связываться с транспептидазами, которые завершают последний этап биосинтеза клеточной стенки. Когда это происходит, пенициллин образует ковалентную связь в активном центре транспептидазы, необратимо инактивируя фермент. По мере роста клетка продолжает разрушать свою клеточную стенку, но без использования транспептидаз она больше не может её восстанавливать. Со временем клеточная стенка ослабевает и в конце концов лопается.
Из-за того, как они были обнаружены, транспептидазы первоначально назывались «белками, связывающими пенициллин» (PBP). Однако связывание с пенициллином не является их нормальной функцией, что сильно путает меня, студента-микробиолога.
Это объясняет, почему Дженнингс и другие не смогли повторить эксперимент Флеминга с загрязнённой чашкой. Зрелая колония в основном состоит из взрослых или мёртвых клеток. Эти клетки не подвергаются воздействию пенициллина, поскольку они не растут активно и, следовательно, не разрушают и не восстанавливают свою клеточную стенку. В результате пенициллин не вызывает лизис зрелых клеток, и общий вид колонии не меняется. Но если пенициллин присутствует до появления стафилококков, он препятствует росту и делению бактерий или значительно замедляет эти процессы. В этом случае они не образуют видимых колоний. Таким образом, пенициллин не растворяет полностью сформировавшиеся колонии, как первоначально предполагал Флеминг, а с самого начала препятствует их росту.
Сложность воспроизведения открытия Флеминга сглаживается лёгкостью, с которой можно «заново открыть» пенициллин, изменив порядок эксперимента. Сначала выращивают плесень Penicillium до образования большой колонии, а затем засевают чашку стафилококками, и результат неотличим от оригинальной чашки Флеминга. Однако ни один квалифицированный учёный не стал бы намеренно использовать чашку с культурой, заметным образом загрязнённую крупной плесенью, и уж тем более такой эксперт-бактериолог, как Флеминг.
В 1927 году Флеминг был «очевидным выбором» для написания главы о стафилококках в большом девятитомном труде «Система бактериологии». Этот труд обычно называли «Библией» в бактериологических лабораториях, поскольку он должен был содержать все существующие знания.
Нет никаких современных записей, подтверждающих историю о том, что Флеминг обнаружил загрязнённую чашку, когда вернулся из отпуска 3 сентября: нет записей в лабораторных записных книжках, календарных записей, дневниковых записей или каких-либо писем. В статье 1929 года рисунок просто подписан «Фотография чашки для выращивания культур». Единственное доказательство, которое у нас есть, — это воспоминания Флеминга и его коллег, записанные много лет спустя, после того как пенициллин был признан безусловным клиническим успехом. Сам Флеминг в статье 1944 года описал чашку на рисунке 1 как «оригинальную чашку для культивирования». Однако он также включил оговорку, что «по прошествии пятнадцати лет очень трудно сказать, какие именно мыслительные процессы были задействованы».
Ещё больше сомнений вызвало заявление Флеминга в той же статье, что «то, что изначально было хорошо развитой колонией стафилококков, теперь было лишь бледной тенью прежнего», но теперь мы знаем, что это невозможно. Коллеги Флеминга также утверждали, что это была та самая чашка, которую Флеминг показал им в сентябре. Однако и в этом случае нет никаких записей, подтверждающих это.
Самое раннее упоминание о плесени и пенициллине встречается в записи об эксперименте в лабораторном дневнике Флеминга от 30 октября 1928 года — почти через два месяца после того, как он якобы обнаружил чашку с культурой. Любопытно, что в нём не описывается случайная находка загрязнителя, а тщательно спланированный эксперимент, который предполагает, что Флеминг уже потратил некоторое время на изоляцию и характеристику плесени. В нём Флеминг использовал метод культивирования с обратной последовательностью: сначала он поместил споры плесени на чашку и дал им разрастись в большую колонию, производящую пенициллин, а затем поместил несколько патогенных видов бактерий, включая стафилококки, рядом с плесенью.
30 октября Флеминг зафиксировал результаты: плесень повлияла на целый ряд патогенов, включая стафилококки, которые не могли расти рядом с плесенью. Это отличный эксперимент, но явно не открытие случайно загрязнённой чашки Петри. Это поднимает вопрос: чем занимался Флеминг в течение предыдущих двух месяцев, и если он работал с пенициллином, почему он не потрудился зафиксировать это?
На протяжении десятилетий эти научные несоответствия и экспериментальные неудачи преследовали историю открытия пенициллина. На фоне неоспоримого научного и клинического успеха пенициллина, удостоенного Нобелевской премии, и в отсутствие правдоподобной альтернативы скептики молчали. По крайней мере, большинство из них.
Теория Рональда Хэра (1970)
В 1964 году бактериолог Рональд Хэр занялся разгадкой тайны происхождения пенициллина. Изучив старые лабораторные записи и проведя собственные эксперименты, он пришёл к выводу, что «история как чашки для культивирования, так и самой плесени, должно быть, сильно отличалась от того, что считалось ранее». Хэр опубликовал свою теорию об открытии пенициллина в книге «Рождение пенициллина и обезвреживание микробов», вышедшей в 1970 году.
Хэр находился в уникальном положении для расследования этой загадки. Во-первых, он был опытным бактериологом и экспертом по пенициллину, проработавшим 20 лет профессором бактериологии в Лондонском университете и десять лет до этого в Университете Торонто, где он в значительной степени отвечал за планирование и строительство завода по производству пенициллина для канадского правительства. Во-вторых, он начинал свою карьеру в том же отделении, что и Флеминг, в больнице Св. Марии. Более того, он утверждает, что был в лаборатории в тот самый день, когда Флеминг обнаружил ставшую теперь знаменитой чашку с культурой. (Несмотря на эту тесную профессиональную связь, Хэр утверждает, что не принимал участия в открытии или первоначальных исследованиях пенициллина и не обсуждал их с Флемингом).
Хотя это открытие сейчас считается одним из самых значительных научных событий XX века, Хэр признаёт, что в то время оно не произвело на него и его коллег практически никакого впечатления. «Остальные из нас, занимавшиеся исследованиями, которые казались гораздо более важными, чем загрязнённая чашка Петри, лишь бегло взглянули на неё, подумали, что это не более чем очередное чудо, которое Флеминг, казалось, постоянно открывал, и быстро забыли об этом».
И всё же Хэр с самого начала скептически относился к тому, что пенициллин мог быть открыт благодаря простому загрязнению чашки Петри. Это было настолько обычным явлением в биологических лабораториях, что «если бы события развивались именно так, пенициллин, вероятно, был бы открыт ещё в детстве Флеминга».
После выхода на пенсию Хэр занялся вопросом о пенициллине. Он начал с попытки повторить открытие Флеминга. Он засеял обычную чашку Петри стафилококками, инкубировал её до появления колоний, а затем поместил на поверхность несколько спор плесени. Как и микробиологи до него, он заметил, что плесень не растёт. Он попытался стимулировать рост плесени, поместив её всё дальше и дальше от колоний стафилококков (не отклоняясь при этом слишком сильно от общего вида рисунка 1 Флеминга).
С помощью этого подхода ему наконец удалось заставить плесень расти и производить пенициллин, но колонии стафилококков по-прежнему оставались незатронутыми. «Никто, глядя на такую чашку, не мог бы догадаться, что из плесени исходит мощное антибактериальное вещество». Однако, если он менял порядок и помещал плесень на чашку раньше стафилококков, он мог получить результат, «практически неотличимый от результата Флеминга».
Разочарованный, Хэр произвёл переоценку доказательств. Он показал, что плесень не могла загрязнить чашку после стафилококков, потому что плесень не могла расти (или, если бы она росла, пенициллин не повлиял бы на колонии стафилококков). Он предположил, что загрязнение не могло произойти до стафилококков (хотя это достоверно воссоздаёт изображённую чашку), потому что ни один бактериолог не стал бы сознательно использовать загрязнённую чашку.
Что, если плесень заразила чашку одновременно или в течение нескольких часов после засева стафилококков? А что, если рост стафилококков был приостановлен (каким-то образом) до тех пор, пока колония плесени не созрела? Тогда Флеминг считал бы, что засеял стафилококки на незараженную культуральную чашку. Однако из-за задержки роста стафилококков плесень успела бы полностью развиться в крупную колонию, производящую пенициллин. Когда рост стафилококков возобновился бы, он происходил бы в тех же условиях, что и если бы стафилококки были посеяны после роста плесени.
Хэр знал, что именно может остановить рост стафилококков: низкая температура. Стафилококки растут наиболее быстро при температуре 37 °C. Как патоген человека, они эволюционировали так, чтобы оптимально расти при температуре человеческого тела. Именно поэтому микробиологи инкубируют чашки Петри: чтобы ускорить их рост до видимых колоний. Самая низкая температура, при которой происходит рост стафилококков, причём очень медленный, составляет около 12 °C. Плесень Penicillium, с другой стороны, предпочитает расти при температуре около 25 °C, но не сильно зависит от температурного диапазона.
Поэтому казалось возможным, что пенициллин мог быть открыт так, как описано в оригинальной статье 1929 года, но с добавлением нескольких деталей, о которых Флеминг не знал: во-первых, инокуляция стафилококков и заражение плесенью произошли одновременно; во-вторых, Флеминг забыл инкубировать чашку; и, в-третьих, температура в лаборатории была достаточно низкой в течение достаточно длительного времени, чтобы плесень могла расти и производить пенициллин до того, как стафилококки начали расти.
Возможно, инкубация чашки не проводилась намеренно. Флеминг был известен тем, что создавал «агаровое искусство» — картины на чашках Петри, «рисуя» их с помощью разноцветных бактерий. Хотя инкубация является стандартной практикой, поскольку способствует быстрому росту бактерий, она может повлиять на яркость цветов колоний. Некоторые подозревают, что Флеминг намеренно не инкубировал свои стафилококки, чтобы посмотреть, что произойдёт.
Чтобы проверить эту теорию, Хэр одновременно засеял чашку Петри стафилококками и плесенью Флеминга и оставил её на столе. В тот день была холодная, влажная и штормовая погода, а температура была относительно низкой: от 16,1 до 18,3 °C. Как и ожидалось, стафилококки росли медленнее, чем в инкубаторе, и на третий день были видны только крошечные прозрачные колонии. Плесень, однако, росла гораздо быстрее, и уже через 48 часов была видна крошечная колония, которая к четвёртому дню выросла до 10 мм.
К концу пятого дня Хэр заново открыл пенициллин. Результат был практически неотличим от фотографии в оригинальной статье Флеминга: в десятимиллиметровой зоне вокруг плесени колонии стафилококков были маленькими и прозрачными, а за пределами этой зоны — более крупными и непрозрачными. После многих экспериментов Хэр обнаружил, что пенициллин можно надёжно обнаружить таким образом, если в течение четырёх-пяти дней поддерживать температуру ниже 20 °C.
Именно здесь учёный Хэр должен был стать историком Хэром. Была ли температура в лаборатории Флеминга достаточно низкой, чтобы он мог открыть пенициллин в конце июля или начале августа, в соответствии с хронологией его канонической истории?
Это было до появления систем климат-контроля и зданий с сертификатом LEED. Хотя зимой лабораторию Флеминга обогревал газовый камин, в остальное время года температура могла резко колебаться из-за солнечного тепла и холодных ветров с востока и юга.
Хэр изучил записи Метеорологического бюро о максимальных и минимальных температурах в тени с начала июля до конца сентября 1928 года. За несколько недель до отъезда Флеминга в отпуск была жара: с 10 по 27 июля максимальная температура достигала 25–30 °C. При таких температурах стафилококки росли бы слишком быстро.
Однако 28-го числа жара закончилась и быстро сменилась похолоданием. В течение следующих девяти дней максимальная температура только дважды превышала 20 °С, и то ненамного. Это было небольшое окно, в котором температура в лаборатории Флеминга была бы достаточно низкой. Но оно идеально совпало с отпуском Флеминга.
Теория Хэра основана на тройном стечении маловероятных событий. Во-первых, плесень Penicillium, производящая пенициллин, попала на чашку Петри Флеминга; во-вторых, Флеминг не инкубировал чашку; и в-третьих, температура была достаточно низкой в течение пяти дней, необходимых для роста плесени.8 «Если бы только одно звено в этой цепочке было разорвано, — пишет Хэр, — Флеминг упустил бы свою возможность».
На самом деле, совпали четыре маловероятных события. Позже Флеминг утверждал, что он уже выбросил чашку в кучу посуды, лежавшей в ванне с лизолом, и только позже, во время разговора со своим научным сотрудником Мерлином Прайсом, он заметил эту историческую чашку, лежавшую высоко остававшуюся сухой, и «спас» её. Если бы кучу убрали немного раньше или антисептика в ванне было немного больше, то эта чашка, шансы у которой и так были один на миллион, была бы потеряна навсегда.
Сам Хэр признает, что сочетание этих непредвиденных обстоятельств кажется исключительно маловероятным. Сама по себе оригинальная история случайного открытия была историей счастливой случайности и удачи. Его теория требовала дополнительного слоя метеорологической удачи в дополнение к случайному заражению. «Речь идёт вовсе не о сравнительно распространённом явлении, которое ранее просто оставалось незамеченным; напротив, это должно быть настолько редкое событие, что сомнительно, чтобы с момента начала культивирования бактерий в лаборатории оно происходило сколько-нибудь часто». Однако, как бы невероятно это ни казалось, цитируя Шерлока Холмса: «Когда вы исключили всё невозможное, то, что осталось, каким бы невероятным оно ни было, должно оказаться правдой».
Теория Роберта Рут-Бернштейна (1989)
Теория Хэра основана на предположении, что пластина, изображённая на рисунке 1, действительно была источником первоначального загрязнения. Она также игнорирует двухмесячный промежуток между тем моментом, когда Флеминг якобы заметил загрязнённую пластину, и записью о первом эксперименте с пенициллином. Однако эти детали лежат в основе конкурирующей теории о происхождении пенициллина, принадлежащей Роберту Рут-Бернштейну, профессору физиологии Мичиганского государственного университета.
Рут-Бернштейн описал свою теорию в книге 1989 года «Открытия: изобретения и решение проблем на границах науки». Это амбициозная и неортодоксальная книга, написанная в форме семинара, на котором шесть персонажей обсуждают творчество и научный процесс. Каждый персонаж представляет различные точки зрения на науку и учёных, а по ходу беседы они также обсуждают важные хронологические и методологические особенности открытия Флеминга.
Я узнал о теории Рут-Бернштейна и, в свою очередь, обо всей альтернативной вселенной теорий о пенициллине из книги Уильяма Розена 2018 года «Чудодейственное лекарство: создание антибиотиков и зарождение современной медицины».
Теория Рут-Бернштейна обсуждается и защищается персонажем Импом (настоящее имя Эрнест; по-видимому, альтер-эго самого автора). После краткого изложения ключевых моментов теории Хэра Имп сосредотачивается на двухмесячном промежутке. Флеминг предположительно обнаружил загрязнённую чашку (рис. 1) по возвращении из отпуска 3 сентября, но первая запись в лабораторном дневнике о Penicillium и пенициллине была сделана только 30 октября. Как описано ранее, в этой записи не упоминается обнаружение загрязнённой чашки, а описывается запланированный эксперимент, в ходе которого плесень Penicillium была впервые выделена и протестирована на нескольких бактериях, включая стафилококки.
Но почему, задаётся вопросом Имп, если у Флеминга уже была эта прекрасная чашка с культурой, которая так прекрасно иллюстрировала способность пенициллина убивать стафилококки, он ждал два месяца, чтобы записать это открытие? И почему он сделал это в контексте другого эксперимента? Более того, эта чашка до сих пор хранится в Британском музее. Это означает, что Флеминг должен был зафиксировать её формальдегидом относительно скоро после того, как он её обнаружил. Но если он считал, что чашка достаточно важна, чтобы её сохранить, почему он не отметил её открытие в то время?
Флеминг не любил медлить. По словам его научного сотрудника Мерлина Прайса: «[Флеминг] не ограничивался наблюдениями, а сразу же принимал меры. Многие люди наблюдают за явлением, чувствуя, что оно может быть важным, но ограничиваются одним лишь удивлением — после чего забывают о нём. С Флемингом такого никогда не было». Так чем же он занимался в течение двух месяцев?
Именно в этом контексте Имп (Рут-Бернштейн) обосновывает своё убеждение, что открытие Флеминга не было случайным, как гласит легенда — по крайней мере, не полностью. Вместо этого он предполагает, что Флеминг не проводил эксперимент со стафилококками, когда открыл пенициллин; он искал новые источники лизоцима.
Флеминг давно интересовался антибактериальными веществами. Его самым важным открытием до пенициллина было открытие лизоцимов — ферментов, содержащихся в различных жидкостях организма (например, слезах, слюне и яичном белке), которые разрушают клеточные стенки бактерий. Он также изучал антибактериальные свойства хлорида ртути и бактериофагов.
В период с 1922 по 1928 год команда Флеминга тестировала всё, что попадалось под руку: человеческую слизь, слёзы, мокроту и кровь; яйца десятков видов рыб и птиц; слёзы лошадей, коров, кур, уток, гусей и пятидесяти других видов животных из Лондонского зоопарка; слизь дождевых червей и улиток; большое количество овощей и цветов. Они продолжали публиковать статьи о лизоцимах вплоть до 1930-х годов. «Не будет ли слишком смелым предположение, — спросил Имп, — что он также исследовал все грибы, которые попадались ему на пути?»
Если предположить, что Флеминг занимался систематическим поиском новых источников лизоцима, то теперь мы можем обоснованно заполнить пробел между 3 сентября, когда он впервые заметил плесень, и 30 октября, когда он впервые записал эксперимент с Penicillium. Теория Рут-Бернштейна об открытии выглядит следующим образом:
Сначала Флеминг находит плесень, которая могла быть или не быть на чашке со стафилококками. В статье Флеминг только говорит, что он нашёл её в то время, когда «работал с вариантами стафилококков». В любом случае, чашки Петри недостаточно, чтобы воскрикнуть «Эврика!», как предполагает каноническая версия истории (утверждается, что вместо «Эврика!» Флеминг пробормотал более скромное «забавно...»). Вместо этого, как и сотни других необычных образцов, которые он тестировал, Флеминг переносит плесень на новую чашку Петри, даёт ей несколько дней, чтобы она прижилась, а затем проводит рутинный эксперимент, чтобы проверить активность лизоцима. Он обнаруживает, что она слабо влияет на штамм, чувствительный к лизоциму. Не особо интересно — даже не стоит записывать — но это заслуживает дальнейшего изучения.
Как пишет Хэр, «для Флеминга важнее всего было не записывать свои эксперименты, а проводить их». Поэтому отсутствие записей в лабораторном дневнике не обязательно свидетельствует о том, что он не проводил никаких экспериментов в период с 3 сентября по 30 октября. Вполне возможно, что ни один из них не был достаточно интересен, чтобы его записывать.
Через некоторое время, согласно теории Рут-Бернштейна, Флеминг готовит второй эксперимент. После пятидневного выращивания плесени до образования крепкой колонии он добавляет на чашку различные виды бактерий, чувствительных и устойчивых к лизоциму, в том числе стафилококки. На этот раз он записывает результаты, потому что (сюрприз!) плесень воздействует на лизоцимоустойчивые стафилококки. Этот эксперимент, результаты которого записаны 30 октября, в контексте записных книжек Флеминга выглядит именно так, как и должно быть: «первый эксперимент с пенициллином — первое признание Флемингом того, что он имеет дело с чем-то неожиданным и захватывающим!».
Однако, если это и есть истинная последовательность событий, почему Флеминг не записал её в своей статье 1929 года? «Логика изложения редко соответствует логике открытия», — сказал Имп. Немногие учёные действительно документируют хронологическую последовательность событий, которые привели к их открытию. «Представьте себе на мгновение, что вы пытаетесь записать в исследовательской статье то, о чём я только что рассказал», — сказал Имп:
В ходе поисковых работ по выявлению организмов, продуцирующих лизоцим, из воздуха лаборатории была выделена распространённая, но неидентифицированная плесень. Первоначальные эксперименты показали, что плесень, по-видимому, обладает лизоцимной активностью, поэтому были установлены контрольные группы, в том числе стафилококки, над которыми я как раз работал в то время. К моему большому удивлению, плесень обладала неожиданными свойствами, поэтому я был вынужден провести дальнейшую характеристику и идентификацию плесени... Последующие исследования окончательно доказали, что продуктом плесени был не лизоцим, а новое вещество, обладающее следующими характеристиками...
Это слишком запутанно и косвенно для научного отчёта. Лучше начать с того, что плесень лизирует (разрушает) патоген, потому что это было важным и новым наблюдением.
Согласно этой теории о последоваательности событий, чашка на рисунке 1 также становится именно тем, чем она является в своём контексте: наглядным примером того, что пенициллин-секретирующий Penicillium может убивать стафилококки. А не, как обычно рассказывают, оригинальной загрязнённой чашкой. Далее в статье приведены аналогичные примеры на рисунках 3 и 4, которые иллюстрируют другие свойства пенициллина.
Флеминг всё ещё мог показать своим коллегам заражённую стафилококковой культурой чашку Петри 3 сентября, но на ней не должно было быть характерного «кольца смерти». Или, возможно, он действительно показал чашку, изображение которой стало знаменитым «Рисунком 1», но только несколько месяцев спустя, когда готовил иллюстрации к своей статье. Холодная погода, по которой говорил Хэр, тоже могла сыграть свою роль в росте плесени, но она больше не обязательно должна совпадать с тем моментом, когда Флеминг заразил свою чашку со стафилококками.
То, что Флеминг изначально искал новые источники лизоцима, также может объяснить, почему он подумал, что плесень заразила чашку со стафилококками после того, как колонии полностью выросли (что, если не считать теорию Хэра об одновременном заражении, должно быть невозможно). Пенициллин, возможно, не способен лизировать зрелые колонии, но лизоцимы могут. Флеминг, возможно, предположил, что пенициллин лизирует бактерии так же, как лизоцимы, и поэтому может лизировать зрелые колонии. Это концептуальный скачок, но он становится меньше, если он изначально искал лизоцимы.
Как и Хэр, Рут-Бернштейн не утверждает, что его версия открытия Флеминга является «правдивой», а лишь что она совместима с имеющимися данными. (Рут-Бернштейн, однако, не стесняется утверждать, что его теория является более вероятной из двух. «Хэр, возможно, хороший бактериолог, — сказал Имп, — но я сомневаюсь в его исторической проницательности. Даты — нужно обращать внимание на даты»).
Для Рут-Бернштейна важнее, чем детали открытия Флеминга, является тот факт, что оно подтверждает принцип Пастера: «Удача благоволит только к подготовленному уму». Независимо от того, экспериментировал ли он со стафилококками или лизоцимом, Флеминг всегда допускал возможность открытия новых бактериолитических веществ. Он часто давал совет: «Никогда не игнорируйте необычные явления или события. Возможно, это — как правило, это и есть — ложная тревога, которая ни к чему не приведёт, но, с другой стороны, это может быть подсказка, данная судьбой, которая приведёт вас к какому-то важному открытию».
Методы Флеминга — которые включали тестирование странных образцов и хранение чашек с культурами дольше, чем это было необходимо — увеличивали вероятность того, что он наткнётся на что-то новое, и он был морально готов распознать это, когда это произошло.
Источник плесени
Другим важным аспектом открытия Флеминга является источник загрязняющей плесени. Согласно канонической версии истории, Penicillium попал в лабораторию Флеминга через открытое окно. Однако в статье 1929 года такого утверждения не было. Фактически, ничего о его источнике не говорилось до 1945 года, когда Флеминг рассказал писателю Джорджу Лакену, что он попал через окно с Прэд-стрит.
Почему Флеминг сказал это, остаётся загадкой. У него не было никаких доказательств, что это было так, и, как пишет Хэр, открывать окно в лаборатории — «совершенно неправильно с точки зрения бактериологии». Кроме того, подоконник Флеминга часто был завален пробирками и мензурками, наполненными патогенными бактериями. Если бы какая-нибудь из них выпала из открытого окна на головы уязвимых прохожих внизу, это вызвало бы настоящий скандал. Тем не менее, эта история получила широкую огласку после того, как Андре Моруа повторил её в своей биографии 1959 года «Жизнь сэра Александра Флеминга». Моруа неоднократно упоминал «таинственную плесень с Прэд-стрит» и «споры, разносимые ветром».
Сам Флеминг, похоже, не был уверен в её происхождении. В речи, произнесённой в 1946 году в клинике Мэйо, он заявил, что не знает её источника: «Споры плесени, принесённые неизвестно откуда, упали на чашку». Но в другой речи, произнесённой в Эдинбурге в том же году, он заявил, что «пенициллин упал из окна».
По словам Хэра, пенициллин попал не через окно, а через лестничную клетку. В своей книге 1970 года Хэр отмечает, что непосредственно под лабораторией Флеминга, в той же башне здания, находилась микологическая лаборатория, которой руководил К. Дж. Ла Туш. Ла Туш изучал, как плесень может вызывать астму. Он проводил большую часть времени, собирая мазки с ковров и занавесок в домах, где проживали пациенты с астмой, и выращивая из этих образцов странные и редкие виды плесени. В процессе он собрал довольно большую коллекцию. Но, как вспоминает Хэр из своего опыта работы в том же здании, лаборатория Ла Туша не была оборудована вытяжными шкафами или вытяжными колпаками, которые большинство микологов использовали для предотвращения загрязнения воздуха спорами плесени. В результате воздух в лаборатории Ла Туша был наполнен парящими спорами, которые могли быть перенесены везде, куда их занесёт ветер.
Двери лабораторий Ла Туша и Флеминга выходили на общую лестничную клетку. Поэтому вполне вероятно, что споры, загрязнившие чашку Флеминга, проникли к нему из лаборатории Ла Туша. Они пролетели через дверь его лаборатории, поднялись по лестнице и попали в лабораторию Флеминга. Однако даже если ни одна из спор Ла Туша не совершила этого путешествия, то, по крайней мере, сам Ла Туш его совершил: Флеминг упоминает Ла Туша как миколога, который идентифицировал плесень как Penicillium.
Теории, правдоподобные и неправдоподобные
По мере приближения 100-летия открытия Флемингом пенициллина, окончательного ответа на эту загадку так и не появилось. Другие учёные выдвинули несколько дополнительных теорий (Гвин Макфарлейн описывает несколько из них в своей книге 1984 года «Александр Флеминг: человек и миф»), некоторые из которых основываются на событиях, ещё менее вероятных, чем теория Хэра. Но теории Хэра и Рут-Бернштейна, похоже, опираются на наиболее веские доказательства.
Если это имеет значение, я верю теории Рут-Бернштейна. Теория Хэра научно возможна, но она основана на исключительно маловероятной последовательности событий, требующей удачи, сравнимой с выигрышем в лотерею Powerball три (или более) раза подряд. Теория Рут-Бернштейна проще и больше соответствует психологии и привычкам работающих учёных. Она требует лишь признать, что Флеминг и его коллеги неправильно запомнили идентификационные данные незарегистрированной чашки Петри 15-летней давности (о которой, по общему признанию, легко забыть) — что кажется вполне правдоподобным. Бритва Оккама предполагает, что самое простое объяснение обычно является лучшим, и это объяснение — теория Рут-Бернштейна.
История открытия Флемингом пенициллина — не просто интересный исторический анекдот; она считается ярким примером важных изобретений, сделанных случайно. Она занимает важное место в дискуссиях о природе открытий и о том, как их стимулировать. Но если теория Рут-Бернштейна верна, и Флеминг на самом деле обнаружил пенициллин, когда искал новые лизоцимы, а не проводил не связанный с этим эксперимент со стафилококками, можно ли действительно назвать это случайностью?
Конечно, пенициллин — это не лизоцим, и целенаправленный поиск одного вещества, в результате которого обнаруживается другое, всё же можно считать случайным. Тем не менее, обнаружение нового вида бактериолитического вещества при поиске другого вида бактериолитического вещества, по крайней мере, кажется менее значимым. Флеминг, возможно, искал лизоцим, но его методы — тестирование странных загрязнителей на способность лизировать другие микробы — сформировали сеть, которая рано или поздно должна была поймать что-то другое.
Таким образом, теория Рута-Бернштейна превращает пенициллин из примера «случайного открытия» в пример, отражающий то, что вычислительные биологи Итай Янаи и Мартин Лерчер описали как «эволюционный процесс» в научных исследованиях. В этой концепции исследования — это не линейный поход, а эволюционное дерево, полное когда-то многообещающих ветвей, которые оказались бесплодными, и неожиданных отростков, которые привели к новым открытиям. Такая эволюционная история, по их мнению, «обычно затушёвывается в итоговой научной публикации», которая предпочитает аккуратную телеологию.
Статья Флеминга о пенициллине, опубликованная в 1929 году, возможно, описывала события как линейный процесс, но почти наверняка открытие произошло не так. И, устранив эти сложные повороты и изгибы, Флеминг невольно затушевал то, что, возможно, является одним из самых важных уроков в истории науки: как сочетание тщательной исследовательской программы и открытости к новым направлениям привело его к успеху, удостоенному Нобелевской премии. Ни чёткие планы, ни счастливый случай не являются достаточными сами по себе; для открытия требуются и то, и другое.
В конечном итоге, какова бы ни была фактическая последовательность событий, важно то, что Флеминг был готов сделать ключевое наблюдение, когда случай предоставил ему такую возможность, и воспользовался тем, что он увидел. Остальное — история.