Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

В незаметном тихом уголке, как раз напротив мавзолея генерала Гранта, стоит небольшой памятник, посвященный «возлюбленному чаду», умершему в 1797 году в возрасте пяти лет. Место погребения отмечено обнесенным оградой гранитным монументом в память Сент-Клэра Поллока. Могила находится на выступе берега, откуда открывается вид на Гудзон и береговые утесы Палисадов Нью-Джерси. В 1797 году это место, несомненно, было великолепным для упокоения – панорама, должно быть, была одной из прекраснейших во всем мире.

Я был очень болезненным ребенком и однажды провел шесть месяцев в больнице. Я выжил и с тех пор почти не болел, но потом часто вспоминал могилу «возлюбленного чада» и размышлял о том, почему раньше дети так часто умирали в столь нежном возрасте. Также я часто думал о том, как мне повезло, что я не умер в той больнице.

Мы, люди, уже долгое время сосуществуем с микроорганизмами. И хотя в какой-то степени история нашего сосуществования может показаться достаточно мирной, за мирными аспектами всегда стояла непрерывная, глубинная война между нами и микробиологическими захватчиками, эволюционно запрограммированными на наше уничтожение. Однако мы и сами обладаем парой приобретенных в процессе эволюции навыков, дающих нам некоторые преимущества в этой войне. На протяжении человеческой истории сама эта война оказала большое влияние на эволюционный путь как людей, так и микроорганизмов. Давайте рассмотрим один из таких навыков, дающих нам преимущество в противоборстве с микробами.

Развитие у нас сложной речевой системы и абстрактного мышления – один из интереснейших и важнейших навыков, отличающих нас от всех остальных животных, но лишь частично осознаваемый на механистическом уровне. Ключевым эволюционным изменением, по всей видимости, послужили две мутации на пути от нашего последнего прародителя-примата к человеку, – мутации, которые привели к изменениям в двух аминокислотах, кодирующихся геном FOXP2 на 7-й хромосоме нашего генома. Белок, кодирующийся геном FOXP2, представляет собой фактор транскрипции, контролирующий экспрессию множества генов во время развития зародыша. У людей этот ген критичен для развития нескольких областей мозга, включая центр Брока, отвечающий за речь. Мутации в ключевых зонах гена FOXP2 могут вести к потере способности говорить, членораздельно произносить слова или понимать речь. Этот так называемый языковой ген, возникший в результате небольших и незначительных с виду мутаций на пути от приматов к человеку, сыграл преобразующую роль в нашей эволюции.

Несомненно, существуют и другие гены, участвующие в способности людей говорить и сообщать друг другу сложные, абстрактные идеи, но каковы бы они ни были, именно они ответственны за эволюцию другого типа – ту, которую антропологи называют культурной эволюцией; сам я предпочитаю называть этот феномен горизонтальным переносом информации. Способность беглой передачи таких идей является исключительной и исключительно важной. Люди – единственные животные, способные передавать сложную информацию от поколения к поколению практически мгновенно. Следовательно, приобретенное знание может сохраняться без какого-либо генетического отбора. Горизонтальный перенос информации потенциально позволил людям избежать ограничения «Черной королевы». Например, если благодаря горизонтальному переносу информации мы можем контролировать наше взаимодействие с микроорганизмами, способными нас уничтожить, или выработать относительно них какую-либо жизненную стратегию, можем ли мы нанести упреждающий удар и уничтожить их первыми? И если да, то изменим ли мы таким образом эволюционный путь этих микроорганизмов?

Можно выдвинуть резонное возражение, что люди и микроорганизмы совместно стремительно эволюционировали последние 20 тысяч лет, а возможно, это началось даже раньше. Несомненно, и для нас, и для них это было выгодно. Например, согласно археологическим данным, племена первых охотников-собирателей обладали умением сбраживать зерно, получая из него те или иные алкогольные напитки, возможно пиво. Встречающиеся в естественной среде микроорганизмы – дрожжи – способны превращать содержащиеся в зерне сахара в алкоголь. К 3500 году до н. э. пиво уже было популярным напитком в Самарии и других областях колыбели цивилизации. Вино также предположительно появилось еще до начала письменной истории. Археологические данные свидетельствуют о том, что его делали в Китае еще примерно в 7000 году до н. э., а к 3200 году до н. э. вино производилось на всем Ближнем Востоке. Умение сбраживать зерно и фрукты для производства алкоголя в конечном счете распространилось по всей Азии и Европе. Это было началом микробиологического бума в человеческой культуре.

Процессы брожения под влиянием микроорганизмов стали использоваться независимо во многих культурах и применительно ко многим видам пищи – для производства сыров, для изготовления продуктов из соевых бобов (например, пасты мисо и соевого соуса), для приготовления множества других продуктов из бобов, зерновых, фруктов и овощей, рыбы и даже мяса.

Процесс брожения может быть примером нашего «мирного» сосуществования с микроорганизмами, и с человеческой точки зрения оно служит, как минимум, трем целям. Оно обеспечивает сохранность продуктов гораздо более длительное время. Это было особенно важно во времена, когда поставка продуктов была сезонной, а другие средства их сохранения не были доступны. Кроме того, брожение зачастую повышает питательную ценность продуктов. Благодаря осуществляемому людьми отбору, из соображений вкуса или по другим параметрам, определенные микроорганизмы культивировались в используемых людьми продуктах задолго до того, как было обнаружено, что именно эти организмы отвечают за процесс брожения. Также брожение помогает людям усваивать пищу. Микроорганизмы разрушают трудноусваиваемые компоненты, делая продукты более доступными для человеческого пищеварения. Какао-бобы и кофейные зерна могут послужить примером пищевых продуктов, в которых мякоть, окружающая зерна, должна подвергнуться естественному разложению микроорганизмами, прежде чем продукт будет употреблен в пищу и пройдет дальнейшую переработку у нас в кишечнике.

Микроорганизмы возглавляют класс существ, способных на такие трюки, которые человек готов подвергнуть отбору. Очень небольшое их подмножество стало для человека, по сути, невидимыми «домашними питомцами», каждый из которых выполняет собственный уникальный фокус – например, преобразуя один определенный сахар в определенную кислоту при производстве конкретного вида сыра, пива, хлеба и так далее. Однако порой эти «хорошие» микроорганизмы уступают в борьбе другим микроорганизмам, и продукты оказываются отравленными – при их употреблении мы заболеваем и даже можем умереть.

В прошлые столетия преждевременная смерть от бактериальных инфекций была чрезвычайно распространенной – заранее предполагалось, что более половины рождающихся в любом семействе детей не доживет до возраста половой зрелости. Так, в Византийской империи в VI веке, при императоре Юстиниане I, вспышка бубонной чумы, вызываемой бактерией Yersenia pestis и переносимой блохами, унесла жизни приблизительно 50 млн людей. В XIV веке другая эпидемия чумы привела к гибели почти половины всего населения Европы. В Англии, Италии, Испании вспышки этого заболевания продолжались вплоть до середины XVII столетия.

В XIX веке на всей территории Азии были чрезвычайно распространены унесшие жизни десятков миллионов людей эпидемии холеры, возбудителем которой является бактерия Vibrio cholera. Это заболевание, разносимое с фекальным загрязнением питьевой воды, наводнило Европу, погубив много миллионов жизней в Венгрии, России, Британии и Франции и дойдя с иммигрантами даже до Америки. Холера погубила Джеймса Полка в июне 1849 года, три месяца спустя после того, как он оставил должность президента Соединенных Штатов. Множество людей погибли в XIX столетии от тифа, оспы, туберкулеза, пневмонии и гриппа (который называли тогда инфлуэнцей). Не вызывает сомнений, что микроорганизмы могут представлять огромную угрозу для здоровья человека.

Микроорганизмы попадают в наш организм через рот с пищей и водой, через легкие с воздухом, которым мы дышим, через половые контакты, укусы насекомых и даже через мелкие порезы. Они вызывают катастрофические разрушения в нашей дыхательной, кровеносной и пищеварительной системах и служат причиной серьезных заболеваний, с легкостью распространяющихся в широких слоях населения.

Микроорганизмы могут синтезировать чрезвычайно мощные нейротоксины, энтеротоксины и триллионы других соединений, поражающих определенные функции организма. Порой мы оказываемся в состоянии контролировать токсичное воздействие – например, когда мы используем ботулотоксин, поражающий нейроны и мышцы, в качестве терапевтического и косметического средства, ослабляя мышечные спазмы и убирая морщины. Тем не менее гораздо чаще действие этих чрезвычайно мощных токсинов трудно контролировать после того, как микроорганизмы оказались в теле человека.