Эволюция: Триумф идеи - Карл Циммер

Туберкулез должен был хорошо поддаваться лечению. Почти 60 лет назад Селман Ваксман из Университета Ратджерса обнаружил, что некоторые бактерии вырабатывают белки, способные убивать Mycobacterium. Лекарство, открытое Ваксманом, пополнило активно растущую группу бактерицидных препаратов — антибиотиков. Все они были настолько смертельными для бактерий, что ученые-медики сделали однозначный вывод: за ближайшие несколько десятков лет инфекционные болезни, такие как туберкулез, будут уничтожены.

Но Mycobacterium не готов был сдаться так легко. Несколько месяцев тюремные врачи лечили Бивелича антибиотиками, и в 1996 г. пациент, отсидев срок, вышел из тюрьмы. В 1998 г., однако, он опять был арестован за кражу и вновь оказался в томской тюрьме. На воле он не получал никакого лечения, и когда тюремные врачи сделали рентген легких, то оказалось, что очаг инфекции за это время увеличился. Теперь поражено было не только правое, но и левое легкое. Пациент начал вновь получать антибиотики, но вскоре анализы показали, что лекарства не помогают остановить распространение инфекции. Лекарства, когда-то казавшиеся чуть ли не панацеей, Бивеличу не помогли.

Тюремные врачи решили перевести пациента на новый класс антибиотиков — мощные и дорогие лекарства, которые не так-то просто достать в России, — и на несколько месяцев его здоровье удалось стабилизировать. Но через некоторое время даже эти препараты перестали действовать. В июле 2000 г. врачи Бивелича рассматривали возможность хирургической операции и удаления пораженных частей легких. Если нож хирурга и антибиотики не остановят туберкулез в самое ближайшее время, он, вероятно, умрет.

Судьба Бивелича — не редкость в России. Там в переполненных тюрьмах возникли новые, устойчивые к антибиотикам штаммы туберкулеза, и теперь 100 000 заключенных являются носителями инфекции, устойчивой по крайней мере к одному из традиционных лекарств. Многие из этих людей, как Бивелич, являются мелкими преступниками и отбывают короткие сроки заключения. Но туберкулез способен превратить короткий срок в смертный приговор.

Бивелич — жертва темной стороны эволюции: той пугающей скорости, с которой паразиты адаптируются к своим хозяевам. Как орхидеи приспосабливаются к пчелам или фруктовые деревья — к животным, которые разносят их семена, патогены постоянно эволюционируют, образуют новые формы, ищут новые способы преодолеть защитные системы хозяев. И точно так же, как многие пестициды потеряли свою силу и перестали убивать насекомых, лекарства тоже теряют силу перед лицом мутирующих паразитов. В настоящее время во всем мире появляются резистентные формы туберкулеза и других болезней, гибнут тысячи людей. В будущем их жертвами, возможно, станут миллионы.

Только понимание законов эволюции даст, возможно, ученым-медикам шанс найти новые способы борьбы с болезнями. В некоторых случаях для этого необходимо выяснить эволюционную историю болезни — как паразит впервые сделал человека своим хозяином и какие меры принимал в ответ человеческий организм; тогда им, может быть, удастся найти средство от болезни. Не исключено, что в каких-то случаях ученые даже смогут обуздать силу коэволюции и усмирить возбудителей болезни.

Везде, где есть жизнь, есть и паразиты. В каждом литре морской воды присутствует порядка 10 млрд вирусов. Существуют паразитические плоские черви, способные жить в мочевом пузыре пустынной жабы, которая 11 месяцев в году проводит, закопавшись глубоко в землю; существуют паразитические ракообразные, способные жить только в глазу гренландской акулы, которая вечно плавает в ледяной тьме Северного Ледовитого океана.

Нам, конечно, очень хочется сделать вид, что никаких паразитов нет, но на самом деле они принадлежат к самым успешным в эволюционном отношении видам. Вероятно, они существуют в той или иной форме миллиарды лет. Биологи даже предполагают, что некоторые вирусы на основе РНК — это выжившие обитатели РНК-мира, которые некогда охотились на ДНК-организмы. Судя по обилию, паразиты уже давно и счастливо правят миром. Помимо вирусов, паразитический образ жизни избрали многие семейства бактерий, простейших, грибов, водорослей, растений и животных. По некоторым оценкам, четыре пятых всех видов на Земле — паразиты.

Вообще, паразиты по отношению к хозяину в основе своей не слишком отличаются от жуков, которые пытаются пожрать листву дерева. Чтобы выжить, паразиты должны искать себе пропитание в хозяине; хозяин, само собой, пытается защититься. Такие двоякие требования порождают яростную коэволюционную борьбу. Любые адаптации, которые позволят хозяину остаться незараженным, будут непременно подхвачены естественным отбором. Гусеницы-листовертки, к примеру, выстреливают своим пометом из анальной пушки, чтобы не создавать на своем листе ароматной кучи навоза, которая могла бы привлечь ос-паразитов. Шимпанзе, обзаведясь глистами, разыскивают и поедают невкусные растения, убивающие паразитов. Некоторые хозяева, столкнувшись с непобедимым паразитом, пытаются выйти из ситуации с минимальными потерями. Так, когда самец плодовой мушки из пустыни Сонора становится жертвой кровососущих клещей, он начинает спариваться как сумасшедший, чтобы успеть перед гибелью передать потомству как можно больше своих генов.

Паразиты, в свою очередь, изобретают все новые способы обойти хозяйскую систему защиты. При попадании в организм хозяина паразит должен выдержать атаку иммунных клеток, которые опрыскивают его ядами, стремятся задушить, закупорив мембранные каналы, или просто заглатывают целиком. Чтобы выжить, чужаки-паразиты пользуются камуфляжем и всевозможными уловками. Они покрывают свое тело белками, которые в точности похожи на наши собственные белки. Некоторые из них при помощи мимикрии даже проникают в клетки через охраняемые проходы. Некоторые паразиты «знают», как можно заклинить систему связи, по которой иммунная система передает по всему телу новости об инфекции. Некоторые способны посылать собственные сигналы с приказом, по которому иммунные клетки тела совершают самоубийство. Но, пока паразиты придумывают новые способы обхода иммунной системы, хозяева тоже не сидят сложа руки, а изобретают новые способы уничтожения паразитов. Гонка продолжается.

Коэволюция между паразитами и их хозяевами — отнюдь не дело далекого туманного прошлого. Она продолжается каждый день, и мы с вами — участники одного из новейших экспериментов в этой области. Мы пытаемся искусственно усилить свою защиту антибиотиками, и в настоящий момент становится совершенно ясно, что нам грозит серьезнейшая опасность проиграть эту гонку вооружений.

Когда Селман Ваксман и его коллеги впервые открыли антибиотики, многие решили, что война против инфекционных болезней практически выиграна. Но некоторые исследователи с самого начала предупреждали, что эволюция может оказаться сильнее подобных чудес. Одним из таких ученых был сэр Александр Флеминг, британский микробиолог, открывший в 1928 г. пенициллин. Он провел эксперимент, в котором подверг бактерии действию пенициллина в низкой концентрации, а затем начал постепенно концентрацию увеличивать. В каждом новом поколении все больше бактерий могли сопротивляться действию лекарства, и вскоре чашки Петри в его лаборатории просто кишели бактериями, которым не страшны были регулярные дозы пенициллина.

Во время Второй мировой войны американские врачи тщательно охраняли свои запасы пенициллина и лишь иногда выдавали понемножку гражданским докторам для лечения безнадежно больных пациентов. Однако после войны фармацевтические компании начали свободную продажу этого препарата и даже изобрели таблетку, которую можно было принимать вместо инъекции. Флеминг опасался, что доктора будут прописывать чудо-лекарство всем без разбору и, что самое страшное, люди смогут сами покупать пенициллин и принимать его вообще без предписания врача.

«Величайшая опасность самолечения — использование слишком маленьких доз. Такое лечение, вместо того чтобы уничтожить инфекцию, учит микробов сопротивляться пенициллину; в результате развивается группа устойчивых к пенициллину организмов, которые могут передаваться другим людям, а от них, может быть, следующим, пока им не встретится человек, у которого разовьется сепсис или пневмония, с которыми пенициллин не сможет ничего сделать.

В этом случае глупец, игравший пенициллином, морально ответственен за смерть человека, который в конце концов пал жертвой заражения пенициллин-резистентными организмами. Надеюсь, что подобного развития событий можно избежать».

Бактерии, как позже выяснили микробиологи, владеют мастерством коэволюции даже лучше, чем насекомые; они способны менять свою генетическую структуру с поразительной скоростью. Они делятся несколько раз в час, а потому способны мутировать очень быстро, пробуя невероятное количество вариантов; время от времени у них возникают новые свойства, помогающие сопротивляться антибиотикам. В результате мутаций могут появиться белки, способные разрушать лекарство; некоторые резистентные бактерии обзавелись «насосами», которые при обнаружении антибиотика тут же выдавливают из клетки его молекулы. В обычных условиях естественный отбор не поддерживает таких мутантов, но при столкновении с антибиотиками их отпрыски добиваются успеха.