Сюзанна Тиле
Как микробы влияют на нашу жизнь. Новое и удивительное о многогранных соседях
Бактерии везде – от начала до конца
Если представить историю Земли как 24-часовой день, прабактерии были бы самыми ранними пташками. Жизнь на планете началась с них в 4.30 утра, но пока не отличалась разнообразием и стремительностью событий. Первые одноклеточные микроживотные и водоросли появились только после обеда, около 16 часов. С девяти вечера на земном шаре можно было встретить и простых животных. Наши ранние предки, обезьяны, появились всего за 90 минут до полуночи, а мы сами, представители вида homo sapiens, – за две секунды до 24.00.
Таким образом, люди стали свидетелями лишь крошечной части истории Земли. В это трудно поверить, но на протяжении двух миллиардов лет невидимые микроорганизмы были единственными хозяевами на планете, они пользовались ею вдосталь. Создали нашу биосферу и все важные циклы круговорота углерода, кислорода, серы и фосфора. Сформировали почву и гумус. И наконец, создали основу для развития многоклеточной жизни – растений, животных и человека.
В какой-то момент одноклеточные цианобактерии, известные также как сине-зеленые водоросли, научились отцеживать вещество, которым богата наша планета, – водород, в изобилии содержащийся в воде. И выделили кислород – продукт распада. Фотосинтез стал, несомненно, самым важным биохимическим новшеством, и изобрели его не растения, а бактерии. Большая часть атмосферного кислорода поступает из микроорганизмов, включая современные формы цианобактерий. Морские водоросли и микробы выбрасывают в воздух около 150 миллиардов килограммов в год.
Сначала новый кислород не собирался в атмосфере, а связывался с железом и образовывал оксид железа, который опускался на дно первобытных морей. Много миллионов лет планета буквально ржавела.
Но кислород пошел на пользу не всем живым организмам – для некоторых он стал настоящей катастрофой: они не были к нему приспособлены. В анаэробном (то есть бескислородном) мире он действительно был токсичным. Новые существа, которые могли использовать кислород, обладали двумя большими преимуществами. Благодаря кислороду они производили энергию быстрее, в то же время он уничтожил другие конкурирующие организмы. Теперь на Земле были аэробные организмы, которые переносят кислород, и анаэробные, которые боятся кислорода как черт ладана. Эти последние отступили в ил самых глубоких водоемов, а намного позже – в наши органы (например, кишечные бактерии в кишечнике). Но бесчисленные виды не смогли адаптироваться и погибли.
Должно было пройти 40 процентов времени на часах нашей планеты, чтобы кислород в ее атмосфере достиг примерно такого же содержания, как теперь. Но затем неожиданно появился новый тип клеток с ядром и другими маленькими телами, так называемыми органеллами (по-гречески «маленькие инструменты»). Родились эукариоты.
Сегодня считается, что такие органеллы, как митохондрии и хлоропласты, были созданы в результате того, что какая-то шаловливая бактерия подселилась к другой или одна поглотила другую. Такое сожительство оказалось очень разумным, и в выигрыше остались обе. Согласно этой «теории эндосимбиоза», захваченные бактерии превратились в митохондрии и хлоропласты. Первые вырабатывают энергию в клетках животных, вторые – в клетках растений. Без этой изящной уловки эволюции жизнь на планете осталась бы слизью, состоящей из простых микроорганизмов.
И наконец, эукариоты разучили еще один великолепный трюк – научились создавать более сложные живые организмы, состоящие из многих клеток. Только благодаря этому новшеству стало возможным появление больших организмов со сложным строением, заметных невооруженным глазом, таких как вы и я.
Человек – это только капля в море микробов
Ученые полагают, что на Земле около триллиона видов микробов, причем 99,999 процента из них еще не обнаружены. До начала эры космических путешествий о микроорганизмах даже не говорилось в школьных учебниках. Жизнь на планете была красиво разделена на две категории: растения и животные. Долгое время биологи причисляли микроорганизмы к растениям, хотя все знали, что им там не место. В чем была причина?
Многие микробы просто не растут в чашках Петри в лаборатории. Они не размножаются, и исследователи не могут ничего узнать о них. Поэтому большинство микроорганизмов до сих пор не имеют названия, а мы не знаем ничего об их функциях и задачах.
Ситуация изменилась около 1980 года благодаря революционному открытию Карла Вёзе, американского микробиолога и эволюционного биолога, который считал, что в генах бактерий скрыты отношения родства. Поэтому он и его коллеги разработали элегантный молекулярно-генетический метод, с помощью которого удалось разделить бактерии на типы, используя ген так называемой 16S-рибосомальной РНК. Это важный строительный элемент на белковых фабриках клеток – рибосомах. Исследователи могут работать с этими молекулами в кислородсодержащей среде лаборатории так же легко, как и с ДНК. Каждый тип микробов обладает индивидуальной версией этого гена, и с его помощью можно построить целые родословные, причем гораздо лучше, чем при любом микроскопическом анализе.
Карл Вёзе установил, что археи, которых прежде причисляли к бактериям, следует относить к отдельному царству. Они схожи с бактериями, но отличаются от них важными молекулярно-биологическими деталями. Различия между ними состоят в качествах, о которых многие из нас никогда не слышали и которые не настолько интересны, чтобы вызвать любопытство. У них отсутствуют некоторые маленькие липиды и соединение, которое называется пептидоглюкан. Это имеет невероятные практические последствия: между группами бактерий и архей вдруг пролегла пропасть. Они отличаются друг от друга сильнее, чем мы с вами от паука или рака.
Это открытие изменило эволюционную систематику. Неслыханный научный скандал! Пришлось все переписывать, а ведь это 100 лет микробиологической систематики. И результат понравился не всем. Там, где мы еще в 1990-х выделяли пять царств в классификации (животные, растения, одноклеточные, грибы и бактерии), теперь были обозначены 23 основные ветви. Вёзе выделил в своей классификации только три царства: бактерии, археи и эукариоты, к которым относятся и животные, и растения, и мы. Эти категории радикально отличаются друг от друга, особенно в генетическом плане, как если попробовать сравнить человека с осьминогом или сосной.
Такая классификация живых существ выглядела, конечно, весьма необычно. Она состояла почти исключительно из бактерий и прабактерий. Микробы занимают внушительную часть наших предшественников на дереве родословной видов. Говоря о разнообразии видов на планете, нужно иметь в виду не насекомых или растения, как мы привыкли думать, а микроскопически малых существ! Мы окружены темной и загадочной властью микробов.
Люди занимают всего лишь маленькую боковую ветвь в третьем царстве – эукариотов. Кишечная палочка и бактерия клостридиум, вдруг оказалось, совсем с разных планет, зато зернышко пшеницы – наш очень близкий родственник. Это на самом деле сложно уяснить. Мартин Дж. Блейзер, микробиолог из Нью-Йорка, говорит: «Человечество – это всего лишь капелька в огромном мире бактерий. Это факт, к которому нам еще надо привыкнуть!»[7]
Умерший в 2012 году в возрасте 84 лет Карл Вёзе вошел в историю как человек, «переписавший биологическую классификацию». Это имеет такое же значение, как открытия Альберта Эйнштейна в физике.
Микробы подозреваются в рекордах
Микробы просто повсюду! На самом деле дух захватывает от того, где могут поселиться эти малыши. Они захватчики, первопроходцы и настоящие мастера обмена веществ. В их вселенной есть много рекордов.
Микроорганизмы были найдены даже в самых глубоких шахтах земли. Они могут добывать золото, эти маленькие шахтеры-лилипуты. То и дело золото бывает связано с определенными минералами. Микробы подвергают эти минералы в несколько заходов окислению, превращают их в отделяемые ионы и между делом высвобождают золото, даже не взмахнув молотком. И без использования тяжелой техники.
К примеру, псевдомонады Pseudomonas stutzeri умеют окислять плавающие в воде ионы золота и превращать их в твердое золото. Но вы не сможете стать богатым, как Скрудж Макдак, поскольку для этого золота слишком мало. Микроорганизмы могут даже спасти из беды. Часто после катастроф в окружающей среде микробы первыми начинают устранять вред. После того как в апреле 2010 года взорвалась и вызвала крупнейший в истории США разлив нефти платформа Deepwater Horizon, там появился доселе неизвестный вид микробов (родственный виду oleispirea antarctica), который был на удивление хорошо приспособлен к условиям 1100-метровой глубины в Мексиканском заливе и с огромной скоростью расщепил облако нефти.
Есть даже бактерии, которые взяли на себя нашу проблему с пластиком в морях. Каждый год в океан выбрасывается более восьми миллионов тонн пластикового мусора. Каждому кусочку пластика нужно около 450 лет, чтобы разложиться. Поэтому многие отмели завалены горами полиэтилентерефталата, искусственного вещества, используемого в производстве большинства пластиковых бутылок. Бактерия, которая особенно любит и усваивает это вещество, называется Ideonella sakiensis. Но ей для этого понадобится 70 лет.
Хлеб насущный других бактерий тоже очень необычный. Любящая кислоту бактерия Thiobacillus concretivorans, например, обожает серную кислоту – в такой концентрации, что проедает дырки в штанах и разъедает металл. Micrococcus radiophilus больше всего любит сточные цистерны атомных реакторов и питается плутонием и другими металлами. Радиоактивный уран тоже желанное кушанье. На него налетают маленькие палочкообразные бактерии Geobacter metallireducens. Они так разлагают уран, что от него остается только неопасная нерастворимая форма, которую можно просто собрать вместе с бактериями. Даже небу и воздуху не уберечься от микробов. Некоторые микроорганизмы живут даже на высоте 60 километров и помогают в образовании облаков, снега или дождя.
Да, микробы могут выживать в космосе. Они тоже путешествуют на космических кораблях и населяют международные космические станции. Ученые подвергли земные микроорганизмы воздействию космоса, и те выжили в этом эксперименте. Никаких скафандров в течение 553 дней! Некоторых наших маленьких соседей практически невозможно убить. Среди них, например, Deinococcus radiodurans, известая как бактерия Конан. Она весьма резистентна к радиоактивности. Если ее ДНК подвергнется излучению, ее кусочки тут же собираются снова и чинят сами себя, как движущиеся конечности живого мертвеца.
Но заслуживающие особого внимания чудеса живучести на сегодняшний день продемонстрировали стрептококки. Компания из примерно 100 туристов-бактерий с Земли в герметичной камере пробыла на Луне более двух лет. По-видимому, одноклеточные организмы попали туда в 1967 году безбилетниками в корпусе камеры на борту американского зонда Surveyor 3. Возможно, техник на мгновение замешкался, когда собирал камеру. Стрептококк также встречается в нашей полости рта. Эти крохотные организмы пережили невредимыми вакуум, сильную космическую радиацию, температуру минус 250 градусов и полное отсутствие пищи. Со времени этого открытия исследователи задаются вопросом, могут ли другие бактерии выживать в условиях космоса.
Все дело в сотрудничестве
В мире свой собственный микробиом есть везде: в почве, в воздухе, в воде, в лесах, на промышленных предприятиях или в домах. У животных, у нас и наших детей. Он уникален, как отпечаток пальца. Его мы получаем от матери при рождении, и он остается с нами на всю жизнь. Таким образом, каждая субстанция на планете обладает индивидуальной коллекцией полезных микробов.
Детеныши комодского варана носят в ротовой полости и на коже микрофлору, аналогичную их окружающей среде. В осьминогах полезные бактерии заводятся уже через несколько часов после оплодотворения. Термиты могут переваривать древесину только потому, что в их желудке есть особые бактерии, которые расщепляют неперевариваемую целлюлозу. Коровы получают питательные вещества из травы благодаря микробам, которые живут в каждом из четырех коровьих желудков.
На этих примерах видно, насколько важно в природе сотрудничество, а не враждебное разделение. Большим многоклеточным организмам, таким как мы, гораздо легче объединиться с бактериями, обладающими определенными свойствами, чем развивать эти качества самим с большими усилиями.
У нас, людей, также есть микробиом с несколькими тысячами видов микроорганизмов. Если бы мы исследовали свое тело с помощью микроскопа, нам открылся бы восхитительный мир микробов. Каждый день мы берем с собой на работу или в школу целый зоопарк – пеструю компанию бактерий, вирусов, червей, грибов и клещей. По современным оценкам, в каждом из нас живет 39 триллионов бактериальных клеток против 30 триллионов человеческих клеток нашего организма. Это соответствует соотношению 1,3 микроба на одну клетку человеческого организма. Индивидуальные различия, такие как размер или вес тела, могут несколько изменить пропорцию. Но теперь вы понимаете, что мы огромный суперорганизм! В нас и на нас обитает 10 тысяч видов микробов, которые вместе весят около двух-трех килограммов – примерно столько же, сколько наш мозг.
Микробы выполняют разнообразные задачи. Они поселяются в совершенно разных средах нашего организма – в ушах, носу, подмышках или кишечнике (во всех его отделах), и их функции настроены именно на конкретный орган.
В исследовательском институте INRA в Париже несколько лет назад составили карту вселенной кишечника во всем его разнообразии. Ученые смогли доказать, что обычно в человеческом кишечнике можно найти большое количество примерно тысячи видов бактерий, при этом каждый из нас носит с собой по меньшей мере 170 видов. Большинство этих видов у всех людей идентичны[8]. Здесь у микроорганизмов различные задачи – от переваривания углеводов в пище до производства витаминов в кишечнике. Соответственно наш микробиом интенсивно сотрудничает с иммунной системой. Одни микробы передают сигналы, другие вносят вклад в обеспечение энергией, третьи обучают иммунную систему и делают ее более толерантной.
Без своего микробиома мы не смогли бы даже съесть утренние мюсли или булочку. Мы бы от них заболели или умерли, потому что не сумели бы выделить из них необходимые для жизни витамины. Представим себе, что Библия права в том, что Бог создал человека, но тогда он, прежде чем создать Адама, в любом случае должен был подумать о создании бактерий. Потому что без хорошо работающей флоры кишечника ни Адам, ни Ева не смогли бы переварить яблоко.
Большинство из нас склонны к тому, чтобы в своем представлении оттеснять микробов куда-то на обочину бытия. Ведь мы, такие большие и умные, создали города, лекарства и антибиотики и связали в сеть информационные технологии. Этого бактерии и вирусы не умеют. Они не обладают нашими коммуникативными способностями. На первый взгляд они кажутся нам примитивнее нас самих. Но в этом их большое преимущество: они останутся здесь, когда Солнце взорвется. Если мыслить глобально, то это их планета, а мы живем здесь только потому, что они это нам позволили. Они прекрасно обходились здесь без нас миллиарды лет. Помимо кислорода, микроорганизмы снабжают нас еще и азотом, который они берут из воздуха. Иначе растения не смогли бы воспользоваться газообразным азотом, содержащимся в воздухе. Это отличная работа, благодаря которой микробы превращают азот из воздуха в полезные аминокислоты и нуклеотиды – для нас и других живых организмов. Для этого же процесса в промышленном производстве удобрений используют высокие температуры (около 500 °C) и давление (200 атмосфер). А бактерии делают это играючи, к нашему счастью. Потому что ни одно живое существо на нашей планете не смогло бы существовать без переработанного микробами азота.
К тому же нельзя забывать, что микробы заняты на нашей планете очень важным делом – уборкой. Без них ничего бы не разлагалось, горы мусора возвышались бы повсюду. И нас они тоже съедают, когда мы умираем, как и других животных и растения в круговороте жизни. И так и должно быть!
2. Добрые микробы, злые микробы
Когда мы задумываемся о бактериях, чаще всего нам приходят в голову мысли о противных возбудителях болезней. Это вирусы, которые заставляют нас чихать и кашлять, или бактерии вроде сальмонеллы (когда после съеденного мороженого появляется урчание в животе).
При этом все микробы, живущие внутри нас или вокруг нас, выполняют как минимум одну из трех сложных задач, важных для состояния нашего здоровья. Они могут быть друзьями, иногда – врагами, а порой – просто нейтральными комменсалами. Это слово из латыни обозначает товарища по застолью, сотрапезника.
Дружественные нам микробы образуют с нами симбиоз – отношения взаимообмена, полезные обеим сторонам. Многие из этих маленьких симбионтов сотрудничают ради нас с нашим телом: в иммунной системе, пищеварении или даже в работе души. При этом нельзя сказать, что милые микроорганизмы решили посвятить свою жизнь улучшению нашего существования и самочувствия. Просто за миллионы лет человеческой жизни они приспособились к нам, а мы – к ним.
Вопреки категорически негативному имиджу возбудителей болезней, так называемых патогенов, на самом деле очень малая часть микробов – наши враги. Менее 0,1 процента видов микроорганизмов вообще могут вызвать у человека воспаление. Но и они не всегда приводят к заболеванию. И уж тем более не делают это из принципа. Однако они в состоянии спровоцировать серьезные проблемы, появившись в нужное время в нужном месте. Самые часто встречающиеся микробы – это комменсалы, образно говоря, безобидные сотрапезники или зрители. Они живут в окружающем нас мире и попадают в организм, в кишечник, с едой или воздухом. Чаще всего их можно встретить на коже, слизистых оболочках и в дыхательных путях. Возможно, они просто занимают лучшие места, чтобы не дать поселиться там болезнетворным микробам. Изучением этого сейчас занимаются многие исследователи.
Эти бактерии – наши самые верные спутники. Единицей эволюции нужно считать не homo sapiens, а homo sapiens плюс микробы. Только в последние 10–15 лет ученые осознали, насколько сложной экосистемой является человеческое тело. Это целое жизненное пространство, «холобионт», «социальная сеть» с триллионами бактерий и других микроорганизмов. Наш микробиом, сообщество разнообразных микроорганизмов со всеми их генами, оказывает помощь в поддержании здорового состояния всех процессов в теле человека – от пищеварения до иммунной защиты. Ученые постепенно обнаруживают положительное воздействие на нас этих микробов. Не так уж мы и автономны, не так уж независимы.
Каждый человек носит в своем теле этот сложный микробиом (пусть даже не с самого рождения). Своих очень личных комменсалов мы подбираем из окружающей среды. Поскольку здоровая матка почти стерильна, плод поначалу живет в одиночестве. Раннее детство – это самое важное время в жизни. Свою микрофлору мы получаем от матери в процессе естественных родов, а затем через грудное молоко. Природа устроила так, чтобы на первое время вооружить новорожденного подходящим коктейлем из микробов. Со временем спектр микроорганизмов у ребенка расширяется – через контакт с родителями, братьями и сестрами, бабушкой и дедушкой, друзьями и даже предметами быта, такими как простыни, одеяла или домашние животные.
С рождения до трех лет микробиом еще очень сильно меняется, особенно в кишечнике. Он ежедневно накапливает все новые микробы, какие только может. У маленьких детей баланс микробной системы весьма чувствительный, и вредное воздействие тут же приводит к негативным последствиям. Предметы гигиены, косметические средства или лекарства – все это оказывает огромное влияние на микробную среду.
К трехлетнему возрасту микробиом малыша достигает почти такого же состояния, как у взрослого. Он более стабилен и лучше реагирует на изменения. Все действующие микробы на месте и взяли под свой контроль влажные и сухие ниши тела ребенка. К концу детства наш организм поддерживает одну из самых сложных микробных экосистем на Земле.
Во взрослом возрасте микробиом также реагирует на внешние воздействия. Пища, которую мы едим, благоприятна для определенных бактерий, и их количество в кишечнике увеличивается. Со временем кишечная флора вегетарианцев становится другой, отличной от микрофлоры употребляющих мясо. Но есть и обратная закономерность: наши микробы сообщают нам через нейромедиаторы в нервных клетках, чего бы им хотелось, а мозг воспринимает это как аппетит или непреодолимое желание какого-то блюда.
Наш микробиом – это геном, который мы можем изменить в любой день, в то время как человеческий геном дается один раз на всю жизнь. Гены нашего микробиома изменяются в ответ на пищу, гигиену, медикаменты, которые мы принимаем, соответственно меняется и наше здоровье. Мы и наши микробы образуем друг с другом сообщающиеся сосуды.
Как и в любой другой экосистеме на планете, среда является здоровой только в том случае, если содержит больше дружественных видов, чем врагов. Чем больше дружественных симбионтов в окружении человека, тем лучше для его здоровья. Если количество патогенных возбудителей увеличивается, возможны проблемы. Как это всегда бывает в биологии, здесь не все только черное или белое, хорошее или плохое. Потому что наши друзья иногда тоже могут стать врагами, ведь у них свои собственные цели. Обычно они довольны нами и как квартиранты не создают никаких проблем, но в трудные времена становятся немного вредными и могут даже создать больше неприятностей, чем наши естественные враги. Поэтому лучший вариант – это не огромное количество друзей, а здоровая популяция мирных комменсалов. Они не приносят пользы, но хотя бы не закатывают скандал. Просто занимают места, где в противном случае могли бы поселиться микробы, которые не были бы такими беспроблемными.