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

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.

Коротко говоря, вплоть до XX столетия микроорганизмы в целом держали под контролем численность человеческой популяции посредством уничтожения множества людей. Однако в настоящее время, хотя бактериальные заболевания все еще поражают многих из нас, в особенности в неразвитых и развивающихся странах, два крупных открытия в корне изменили наши отношения с микроорганизмами.

Первым было осознание того факта, что заболевания можно избежать, уменьшив контакт человека с определенным видом микроорганизмов. В этом отношении одной из важнейших перемен стал способ доставки воды в жилища человека и ее удаления оттуда. За последние столетия угроза переносимых с водой заболеваний была значительно снижена благодаря как предварительной обработке питьевой воды, так и уменьшению контакта людей со сточными водами. Кипячение воды с добавлением трав или других вкусовых добавок стало общепринятым во всей Азии, равно как и добавление алкогольных субстанций, полученных путем сбраживания зерна и фруктов. Эти два процесса в разных ипостасях применялись на протяжении веков с целью сделать воду более безопасной для питья. Системы отвода сточных вод стали использоваться значительно позже и еще больше снизили риск контакта с болезнетворными микроорганизмами. Некая база знаний о доставке воды и удалении бытовых отходов, быстро распространившаяся в XIX столетии во многих странах, является признаком развитой культуры.

Вторым открытием было обнаружение естественных метаболитов, убивающих микроорганизмы. Термин антибиотик был введен в употребление Зельманом Ваксманом, ученым, открывшим стрептомицин – молекулу, производимую микроорганизмом, который был изолирован из небольшого образца почвы, взятого прямо напротив моей лаборатории. Это открытие позволило излечиться бесчисленным миллионам больных людей. Практически невозможно найти в развитой стране взрослого, который бы за свою жизнь ни разу не принимал курса антибиотиков.

В середине XX века также было обнаружено, что если давать антибиотики животным, это ведет к увеличению производства мяса и молока. Приблизительно 80 % всех антибиотиков, потребляемых в США, используются для нужд животноводства, а не здравоохранения. В настоящее время применяется так много антибиотиков, в особенности в животноводстве, что многие микроорганизмы приобрели иммунитет к наиболее распространенным из них – и снова противодействуют нам, пытаясь нас уничтожить. Они смогли приобрести иммунитет благодаря мутациям. Из-за того что микроорганизмы воспроизводятся очень быстро – в масштабах нескольких часов или даже быстрее, естественные мутации накапливаются стремительно; а затем эти мутации подвергаются отбору благодаря нашему применению антибиотиков. Микроорганизмы, которые смогли уцелеть, продолжают жить и, будучи отобранными, быстро распространяют свои гены в триллионах микробиологических сообществ благодаря горизонтальному переносу. Эти болезнетворные микроорганизмы предприняли против нас контрнаступление. По сути, микроорганизмы отвечают ударом на удар; мы оказались в эволюционном цикле «Черной королевы», где эскалация защиты с нашей стороны привела к эскалации нападения со стороны микроорганизмов.

Независимо от того, кто в конечном счете окажется победителем в цикле «Черной королевы», человеческое знание, приобретенное и распространенное по земному шару посредством горизонтального переноса информации, несомненно, оказалось в высшей степени эффективным, позволив людям временно получить контроль над планетой. Наша непрекращающаяся война с микроорганизмами привела людей к великим победам. Хотя микроорганизмы и становятся все более устойчивыми к антибиотикам, ограничения, налагаемые ими на человеческую жизнь, хотя и не вовсе несущественны, все же гораздо менее значимы, нежели всего лишь столетие назад. Эволюция языка и быстрая передача информации помогли снизить микробиологический контроль за ростом численности населения. Кажется, что мы сумели временно избежать ограничения «Черной королевы» и при этом вошли в фазу экспоненциального роста человеческой популяции.

В студенческие годы я работал в микробиологической лаборатории при Городском колледже Нью-Йорка, выращивая штаммы водорослей для экспериментов. В лаборатории рост единичного микроорганизма в культуре – бульоне с питательными веществами – происходит по простой схеме. На протяжении некоторого периода после инокуляции (посева культуры) клетки растут медленно – это называется латентной фазой. Однако через какое-то время клетки постепенно привыкают к своей новой среде обитания и начинают расти быстрее. На протяжении этой фазы траектория роста популяции представляет собой экспоненту: две клетки превращаются в четыре, четыре – в восемь и так далее. В конце концов какого-либо из питательных веществ в среде начинает не хватать, и клетки принимаются соревноваться друг с другом за этот ограничивающий ресурс. Когда это происходит, темп роста снова замедляется, и кривая роста популяции выходит на плато.

Существует также и четвертая стадия, которую редко упоминают в статьях. Когда график роста клеток достигает плато и питательные вещества оказываются на какое-то время ограничены, клетки порой сталкиваются с трудностями при производстве основных наномеханизмов, необходимых для выживания, и многие из них «совершают самоубийство». Этот феномен я случайно обнаружил много лет назад, будучи студентом, но не вспоминал о нем на протяжении многих лет, он носит название самопроизвольной гибели клеток.

В реальном мире эта траектория выглядит гораздо более сложной – микроорганизмам неизбежно приходится соревноваться со множеством других микроорганизмов за ресурсы, кроме того, всегда присутствуют хищники и вирусы, контролирующие каждую конкретную популяцию микроорганизмов. В действительности отдельные виды очень редко выходят за пределы фазы экспоненциального роста, чтобы занять доминирующую позицию в океане или ландшафте – разве что они являются привнесенными видами, для которых не существует хищников, или же имеют какие-либо другие уникальные свойства, позволяющие им победить в соревновании с туземными организмами.

Рис. 33. Типичная кривая роста микроорганизмов. После инокуляции клетки переживают латентную фазу, прежде чем начинается экспоненциальный рост. В какой-то момент какое-либо из питательных веществ или других ресурсов (например, свет в случае водорослей) становится ограничивающим фактором, темпы роста снижаются и в конце концов рост прекращается. Это стационарная фаза. В дальнейшем, будучи оставлены на долгий период без пополнения запаса питательных веществ или внесения свежих клеток, клетки начнут гибнуть

Основная концепция о контролирующих и уравновешивающих факторах роста микроорганизмов применима к любому другому организму, включая и нас с вами. Согласно вычислениям ученых, в 1 году н. э. по григорианскому календарю на земном шаре проживало от 250 до 300 млн человек. В 1809 году, когда родился Дарвин, население Земли составляло около 1 млрд. К концу XIX столетия людей было около 1,6 млрд, и общая средняя продолжительность жизни составляла всего лишь около 30 лет. К концу XX столетия численность людей на планете составляла более 6 млрд, а общая продолжительность жизни увеличилась более чем вдвое – до 65 лет. По оценкам, к 2050 году нашу планету будут населять более 9,5 млрд человек, каждому из которых потребуются пища, вода, энергия и одежда. Демографы надеются, что в это время численность человеческой популяции выйдет на плато, но особой уверенности в этом нет.

Рис. 34. Кривая роста человеческой популяции начиная с 1000 года н. э. До промышленной революции и открытия необходимости отделять сточные воды от питьевых человеческая популяция была относительно постоянной, что идентично латентной фазе в микробиотической культуре (см. рис. 33). С середины XIX столетия, однако, человеческая популяция начинает расти по экспоненте. По оценкам демографов, к середине XXI столетия она выйдет на плато при численности приблизительно от 9,5 до 10 млрд человек. Ср. с рис. 33