Глава 2. Микробы – не мы… или все-таки мы?
Рассмотрим единичную бактерию. Пусть это будет все та же Escherichia coli. На краткий миг она оказывается в воздухе и затем падает на поверхность теплого, желеобразного, свежеприготовленного субстрата, богатого питательными веществами и находящегося в специальной лабораторной чашке для выращивания бактериальных культур. Бактерия может делать самые разные вещи, но главнейший приоритет для нее – при первой же возможности превратиться в две бактерии. В этих идеальных условиях, когда есть куда распространяться и нет конкуренции, такой процесс занимает всего 20 минут.
За это время бактерия полностью копирует ДНК своей единственной хромосомы и вырабатывает достаточно белков, каркасов клеточных стенок и других компонентов клетки, чтобы создать двойной запас всего необходимого. Затем она делится на две клетки, причем обе идентичны исходной. Спустя еще 20 минут каждая из новых клеток делится опять.
Этот процесс будет повторяться снова и снова. Микроб так стремится воспроизводить себя, что новая хромосома, полученная в результате удвоения, начинает очередной этап репликации еще до того, как происходит деление клетки, иначе ферменты, копирующие ДНК, не смогли бы делать свою работу с нужной быстротой.
Такой бешеный рост (в данном случае он называется экспоненциальным) приводит к весьма впечатляющим результатам – во всяком случае, с математической точки зрения. Через 7 часов у нас будет уже миллион E. coli, и они будут продолжать делиться. Один из персонажей «Штамма „Андромеда“» Майкла Крайтона говорит: «Можно показать, что всего за сутки одна клетка E. coli способна дать суперколонию, равную Земле по размерам и весу». Неверно: потребуется примерно два дня.
Впрочем, такого никогда не происходит, поскольку E. coli довольно скоро истощит запасы пищи и начнет задыхаться в собственных выделениях. Она среагирует на изменившуюся ситуацию, прекратив деление и перейдя в стационарную фазу, когда многие жизненные системы останавливают свою работу (или просто работают вхолостую), ожидая, пока представится новая возможность начать триумфальный рост.
Высочайшая скорость воспроизводства – одна из особенностей микробов, придающая им такую высокую приспособляемость. Существуют многие тысячи разновидностей бактерий. И любое конкретное место, будь то глубины океанских гидротермальных источников или глубины нашего кишечника, по существующим в нем условиям подходит для тех или иных бактерий. Другие бактерии тоже будут здесь присутствовать, но в значительно меньших количествах. Их обойдут конкуренты, лучше приспособленные к данной среде обитания. Но если условия изменятся, то эти неудачники, быть может, сами получат шанс совершить свой экспоненциальный рывок.
Эти две крайности – быстрое размножение и «сон» с почти полной остановкой жизненных процессов – помогают бактериям приспосабливаться к самым разным условиям и быть практически вездесущими. Они могут обитать едва ли не повсюду, питаясь едва ли не чем угодно. Они живут на Земле почти с самого начала и успели за это время перепробовать всевозможные метаболические фокусы. Даже если никто из них не интересовался бы жизнью на нас, о них стоило бы узнать побольше – хотя бы для того, чтобы понять основную часть истории жизни на Земле. Но их история не отделима от нашей. Есть большое искушение считать, что они очень отличаются от нас. Однако, как выясняется, у нас гораздо больше общего с нашими спутниками-микробами, чем мы думали.
Доминирующие виды
Крупное животное вроде Homo sapiens способно предоставлять убежище множеству других существ – желанных и нежеланных. Наше отношение к ним сложилось под влиянием ряда паразитов и червеобразных «пассажиров», которые слишком велики, чтобы стать частью микробиома, – от вшей до ленточных червей. На микроуровне, где численность населения гораздо больше, обнаруживается множество самых простых форм жизни – вирусов (о них позже). Попадаются и представители сравнительно сложной жизни – одноклеточные эукариоты (простейшие, протисты), клетки которых, судя по всему, являются более «организованными»: они снабжены ядром и другими субклеточными структурами, видимыми под микроскопом. Однако самый большой вклад в микробиом (как по совокупной массе, так и по количеству генов) вносят бактерии и в чем-то сходные с ними археи.
Мы склонны воспринимать их как что-то довольно простое, нечто среднее между забавной диковинкой и досадной помехой. Ну да, это прокариоты[15]. Их ДНК не упакована в клеточное ядро, они обладают единственной круговой хромосомой и обычно некоторыми другими разрозненными кусочками ДНК, и все это худо-бедно размещается в теле клетки. Кроме тела клетки у прокариот больше ничего и нет. Под микроскопом (при небольшом увеличении) прокариоты выглядят значительно менее сложными, чем одноклеточные эукариоты, внутренности которых устроены более изощренно. К появлению высокоразвитых многоклеточных организмов вроде нас с вами привели именно эукариоты.
Мнимая простота бактерий вроде бы отвечает их малым размерам. Бактерии – своего рода микромикроорганизмы. Объем типичной прокариоты в тысячи раз меньше, чем средней эукариотической клетки. У нее имеется геном, но он примерно в 10 тысяч раз меньше, чем у эукариоты. При беглом взгляде она вообще кажется менее организованной по внутренней структуре. Но дело в том, что эта структура оставалась по большей части невидимой вплоть до появления мощных электронных микроскопов. Долгое время внутренняя часть этих крошечных одноклеточных считалась по сути просто сосудом, где протекают реакции. Бактерию рассматривали как мешочек с биологически активными веществами; не более того.
В исторической перспективе бактерии тоже кажутся не такими уж интересными объектами. Эволюцию часто представляют в виде непрерывного и неуклонного прогрессивного развития, начавшегося с примитивных микробов и достигшего кульминации с появлением разумных приматов. Бактерии выполнили кое-какую тяжелую работу на заре жизни, но их подлинная судьба определилась, лишь когда они каким-то непонятным скачком превратились в клетки с ядрами, затем – в многоклеточные организмы, потом – в действительно интересные формы жизни, наделенные мозгом. Но как бы ни зародилась жизнь, на протяжении двух миллиардов лет бактерии наряду с другой разновидностью одноклеточной жизни, археями, оставались единственными игроками на поле. На смену поколений таким существам требуются лишь минуты, так что у них нашлось время для того, чтобы перепробовать невообразимое количество эволюционных стратегий.
Еще важнее то, что более сложная жизнь их не вытеснила. Они продолжали жить и развиваться в собственных экологических нишах, где в конце концов оказались и другие, более крупные организмы. Во многих отношениях они остались доминирующими формами жизни. Их совокупная биомасса сравнима с общей биомассой всех растений и животных на Земле. До тех пор пока некий высокоразвитый примат не начал извлекать из земли полезные ископаемые, получать из них топливо и сжигать его, обеспечивая энергией свою цивилизацию, жизнь влияла на окружающую среду в планетарном масштабе именно посредством деятельности этих видов[16].
Такой взгляд на значимость бактерий для биосферы в целом сложился лишь в последние десятилетия. Особенно этому способствовало то, что бактерии стали обнаруживать во все более экстремальных средах. В расширении наших знаний о бактериях есть два ключевых аспекта, важных для восприятия этих организмов как части нашего широкого клеточного сообщества. Во-первых, теперь мы лучшие понимаем, как они живут и на что способны. А во-вторых, мы стали лучше разбираться в том, что общего между нами и этими мельчайшими существами. Как подметил биолог и эссеист Льюис Томас, слова humus (гумус, изготовляемый триллионами бактерий почвы) и human (человек) не зря имеют от один корень.
Маленький – не значит простой
Чем так уж важны бактерии? Начнем с того, что это микробы, то есть существа очень-очень маленькие. Длина типичной бактерии по самой длинной оси – от одной до нескольких тысячных миллиметра. А значит, их легко не заметить. Почти все время нашего собственного (сравнительно краткого) пребывания на планете мы понятия не имели, что они вообще существуют. Судя по вполне достоверным оценкам, на Земле сейчас обитает около 1030 (миллиона триллионов триллионов) бактерий. Однако среди них есть крупные группы, о которых мы почти ничего не знаем. Возможно, мы никогда не установим не только общее количество микроорганизмов на Земле, но даже общее количество их видов.
С другой стороны, раз уж нам известно об их существовании, небольшие размеры и быстрый рост этих существ делают некоторых из них подходящими объектами для исследования – по одному виду в один прием. Поэтому при сравнительно скудных сведениях о глобальной бактериосфере ученые успели в невероятных подробностях изучить некоторые микроорганизмы, особенно всеобщую лабораторную любимицу – E. coli.
Достаточно хотя бы немного познакомиться с ней, и вы, пусть и не узнав всех бактерий на свете, проникнетесь немалым уважением к тому, на что бактерии способны[17]. Ну да, они могут расти и размножаться, это и делает их живыми. У них имеется полный набор крошечных наноустройств для создания копий собственной ДНК, считывания информации, которую та в себе хранит, и для передачи ее белковым молекулам. Они умеют переваривать молекулы пищи, извлекать энергию при их расщеплении и использовать полученные фрагменты молекул для создания новых.
Основную часть того, что нам известно об этих процессах – от подробностей генетического кода (одного и того же у всех организмов на Земле) до сети химических трансформаций, служащих основой метаболизма, – мы узнали из экспериментов над бесчисленными колониями E. coli в лабораторных чашках. Но вклад данного микроорганизма в науку этим далеко не ограничивается. Дальнейшие опыты, зачастую проводимые в условиях, более приближенных к жизни в природе, нежели к существованию в лабораторной чашке, и не имеющих в этой чашке конкурентов, показали, что бактерии способны на еще очень многое.
На молекулярном уровне у них имеются своего рода органы чувств. Нет, они не умеют видеть или слышать, однако E. coli и другие микробы умеют обнаруживать изменение концентрации значимых молекул вокруг себя. Они могут самостоятельно перемещаться, используя активно вращающийся миниатюрный жгутик, как своего рода сверхподвижный хвост. Они меняют курс, чтобы приблизиться к молекулам, которые им нравятся (то есть к пище), или чтобы отдалиться от молекул, которые им не нравятся. Они адаптируются к среде, замечая ее изменения (скажем, температурные перепады или уровень доступности определенных питательных веществ). Реакция на меняющиеся условия приводит к включению (или выключению) определенных генов, причем такое включение (выключение) организовано при помощи сложных биохимических цепочек, где связываются друг с другом молекулы, выстроенные особым образом. Одноклеточные реагируют на присутствие других клеток благодаря так называемому «чувству кворума», которое проявляется в том, что определенные функции активируются, лишь когда плотность клеточного населения достигает заданного порогового значения. Одни бактерии ведут химические войны с другими или же налаживают с ними тесные метаболические отношения, при которых один вид пожирает молекулярную пищу, уже частично обработанную другим в процессе потребления. Зачастую они объединяются в огромные клеточные ансамбли. Это еще не многоклеточная жизнь, но что-то очень похожее на нее по функциям. Бактерии вырабатывают клейкие молекулы, создающие единую слизистую «биопленку», которая удерживает ансамбль вместе. Подобные пленки часто покрывают поверхности, представляющие собой пригодную для обитания экологическую нишу (скажем, ваши зубы), и поддерживают существование долговечной бактериальной системы с изощренным механизмом разделения биохимического труда.
Более того; как показал Джошуа Ледерберг в работах 1940-х годов, принесших ему Нобелевскую премию, они занимаются сексом. Вообще-то, честно говоря, E. coli и другие бактерии преотлично умеют размножаться без помощи чего-либо, даже отдаленно напоминающего секс: они могут создавать клоны генетически идентичных клеток (правда, изредка при этом случаются мутации). Но бактерии не отметают и другие варианты. Время от времени две бактериальные клетки соединяются, и ДНК передается от одной к другой. Благодаря такому обмену генами микробный мир выглядит совершенно иным по сравнению с миром многоклеточных эукариотических организмов с их четким разграничением на виды. В мире микробов постоянно происходит обмен генетическими фрагментами посредством переноса кусков бактериальной хромосомы или движения небольших колец ДНК (плазмид), имеющихся у большинства бактерий, либо при помощи бактериальных вирусов. Если ничего такого не происходит, бактерия может даже захватить свободную ДНК из окружающего пространства и включить какую-то ее часть в состав своей хромосомы (этот процесс именуется трансформацией). Кроме того, при мутации бактериальная ДНК обычно меняется быстрее, чем ДНК в хромосомах других организмов, и не только из-за высокой скорости размножения. Микробы в стрессовых ситуациях (например, когда мало пищи) копируют ДНК менее точно и чинят ее хуже. Что это – просто побочное следствие стресса или же хитроумный эволюционный трюк, позволяющий быстро дать множество всевозможных ответов на возникшую проблему? Биологи продолжают об этом спорить, но в любом случае такая гипермутация позволяет осуществлять стремительные изменения.
С течением времени все эти обмены генами и перемены в ДНК приводят к появлению самых разнообразных штаммов бактерий, хотя эти новые штаммы похожи друг на друга и описываются как один и тот же вид. Однако пристальное изучение бактерий, с которыми мы успели хорошо познакомиться, заставляет сделать вывод, что «вид» для микробов – понятие расплывчатое и во многом загадочное. Одна и та же разновидность бактерий может пользоваться обширным генетическим ресурсом, основная часть которого обычно находится в резерве. Конечно же, наиболее изученной бактерией здесь опять-таки является звезда микробиологии – E. coli. У различных ее штаммов имеется общий набор генов. Однако по мере детального изучения все большего числа штаммов выясняется, что существует куда больше таких генов, которые имеются лишь у некоторых штаммов E. coli. По словам Карла Циммера, «список генов, общих для всех E. coli, все укорачивается, тогда как совокупный список генов, имеющихся по меньшей мере у одного штамма, удлиняется». В типичном штамме E. coli (если таковой вообще существует) содержится 4–5 тысяч генов. Но общее число всех генов, которые когда-либо обнаруживали у E. coli (так называемый пангеном, хотя можно называть его просто генофондом), составляет в настоящее время 16 тысяч. Это чуть меньше количества генов в человеческом геноме. Впечатляющее число для столь «простого» организма!
Человекоподобные бактерии, бактериеподобные люди
Итак, бактерии сложнее, чем кажутся на первый взгляд. Они обладают приспособляемостью и изобретательностью, как и подобает форме жизни, которой как-то удается уцелеть на протяжении трех-четырех миллиардов лет. Жизнь и эволюционная история этих наших предков (а ныне – и современников) переплетены с нашей собственной жизнью и эволюционной историей, соединены с ними бесчисленными связями, разбираться в которых мы начали только недавно.
Взять хотя бы неудобный для кого-то факт, побудивший меня написать эту книгу: они живут внутри нас. И тут Escherichia coli не исключение. Первые образцы данной бактерии выделены еще в 1885 году Теодором Эшерихом – из первых испражнений новорожденных младенцев. Эти бактерии оказалось легче изолировать, чем большинство других кишечных бактерий, поскольку они живут как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Целый ряд невиннейших штаммов E. coli обитает в нашей толстой кишке. Они прекрасно приспособились к жизни в кишечнике теплокровных существ. С другой стороны, существует такой же разнообразный набор штаммов E. coli, вызывающих неприятные симптомы – пищевого отравления или чего-нибудь похуже.
Есть и куда более странная форма совместного проживания, в которую ученые много лет отказывались верить. Мы знаем, что основа всей биосферы – одноклеточные прокариоты. И более сложные формы жизни вроде нас с вами, со всеми «добавлениями», пришедшими с появлением эукариотической клетки, наделенной ядром, несут в себе потомков древних бактерий.
Наши высокоорганизованные, крупные по объему эукариотические клетки обладают значительно большей энергетической подпиткой по сравнению с прокариотами, даже если пересчитать энергию на их размеры. Кардинально новый взгляд на эволюцию клеток помогает понять, как такое могло получиться[18]. Эукариоты получают энергию от внутриклеточных «электростанций» – митохондрий. Митохондрии чем-то похожи на бактерии. Почему? Потому что это и есть бактерии. Точнее, когда-то они были бактериями. Они давно утратили способность к независимому существованию, но по-прежнему обладают небольшим собственным геномом, кодирующим (помимо всего прочего) копирование ДНК и аппарат чтения информации; это больше напоминает бактериальные механизмы, а не те сильно отличающиеся от них макромолекулярные чудеса, которые выполняют ту же работу в клеточном ядре.
Объяснение предложила выдающийся американский биолог Линн Маргулис (1938–2011) еще в 1960-е годы. По ее мнению, некий бактериальный флирт миллиарды лет назад привел к симбиозу, при котором одна бактерия стала жить внутри другой. Внутренний колонист затем адаптировался к новым условиям: получает все необходимое для жизни из окружающей его клетки в обмен на ту энергию, которую он высвобождал, химически расщепляя сахара с помощью кислорода. Результатом стало появление специализированной органеллы («очень маленького органа») в самой настоящей, вполне полноценной эукариотической клетке. Эта органелла – митохондрия – действовала как своего рода миниатюрная электростанция. То, что когда-то было бактерией, сперва стало внутриклеточным паразитом, а затем – более простым по структуре мешочком складчатых мембран, предназначенным для выработки энергии.
Маргулис рассматривала эту необратимую кооперацию (эндосимбиоз) как один из ключевых эволюционных механизмов и полагала, что некоторые другие части эукариотических клеток имеют такое же происхождение. Гипотеза по-прежнему считается противоречивой, но сейчас уже мало кто спорит с тем, что и митохондрии, и хлоропласты (выполняющие сходные задачи у растений) возникли именно так. Странно думать, что все наши клетки содержат эти древние останки. Иной раз число таких реликтов доходит до тысяч. Они до сих пор делятся и размножаются независимо. Все мы до сих пор живы благодаря этой колоссальной коллекции деградировавших бактерий.
Наконец, есть бактериальные останки, выполняющие другую важную работу во всех прочих разновидностях клеток. В сущности это просто следствие хода истории жизни и эволюции по нисходящей. Все дарвиновские «бесконечные прекраснейшие формы жизни» имеют общего предка; он, вероятно, весьма походил на некоторые бактерии, существующие и поныне. Этот наш древний прародитель уже успел приобрести многие необходимые гены и многие важные функции, которые белки выполняют в клетках; это говорит, что белки, а значит, и гены, где хранится информация для их синтеза, очень мало меняются в ходе эволюции. Когда белки уже действуют, любые изменения, происходящие посредством мутаций ДНК, имеют тенденцию ухудшать их работу, так что это изменение исчезает в ходе естественного отбора, неустанно отсеивающего неподходящие новые идеи.
В принципе-то мы все это знали, но недавние подвиги генных расшифровщиков, давшие нам возможность исследовать целые геномы крупных и малых организмов, показали, сколь важны эти факторы и как тесно взаимосвязаны все обитатели нашей планеты. Сравните генетические цепочки и вы обнаружите, что 37 % генов человека очень похожи на гены бактерий. А значит, эти гены уже появились у нашего общего предка больше двух миллиардов лет назад. Между тем мы делим с другими эукариотами 28 % генов, с другими животными – 16 % генов, а с другими приматами (у нас тоже есть соответствующий общий предок) – всего 6 %[19]. Так что какой бы вклад сожительствующие с нами бактерии ни вносили в нашу жизнь сегодня, в эволюционном смысле более трети наших генов (в числе прочих даров) предоставлены нам бактериями.
Как давать имена
Человек узнал о бактериях достаточно много, чтобы с легкостью скроить пеструю систему впечатляющих обобщений. Мы уже познакомились с некоторыми из таких систем. Впрочем, более подробное их описание может оказаться куда труднее не только из-за присущей им сложности, не только из-за того, что многие виды бактерий часто путают друг с другом. Нет, дело тут главным образом в названиях. Вот где настоящая путаница. Мне, как вы понимаете, в дальнейшем неизбежно придется использовать и другие названия, кроме E. coli. Так что позвольте вкратце объяснить, почему такая номенклатура – дурная реклама для науки.
Сегодня нам известно, что вид для бактерий – несколько иная номенклатурная единица по сравнению с другими организмами, у которых термин «вид» означает некую отдельную совокупность похожих существ. (Честно говоря, определение вида для других организмов тоже не очень-то прямолинейно, но сейчас не об этом речь.) Тем не менее система номенклатуры бактерий следует общепринятым в биологии правилам. Иными словами, каждый вид получает название из двух слов, как и предложил Линней еще в XVIII столетии. Первое слово пишется с большой буквы и обозначает род (набор родственных видов). Второе слово более… э-э… специфично.
Линнеева система классификации создавалась для растений. Многие из них тогда уже обладали общепринятыми названиями, которые в той или иной форме перекочевали в новую систему. Микроорганизмы тоже постепенно получали имена, по мере того как все новые обитатели микромира идентифицировались в течение столетия, прошедшего после самого первого включения микробов в Линнееву систему («инфузории», 1758 год). Бактерии, существа, которых явно никто не наблюдал прежде, именовались довольно-таки произвольно, как кому взбредет в голову: латинским словом, описывающим их форму, видимую под микроскопом, или ссылкой на то, где их впервые обнаружили, или именем их первооткрывателя, или чем-нибудь более причудливым.
В некоторых таких названиях все-таки содержатся крупицы полезной информации. Скажем, bacillus – палочкообразное существо, coccus – сферическое, vibrio – напоминающее запятую. Так что холерный вибрион Vibrio cholerae – это организм, имеющий форму запятой и как-то связанный с холерой. Большое спасибо за такие невероятно подробные сведения.
Лишь немногие описательные названия приносят еще кое-какие данные. Виды, образующие цепочку сфер наподобие ожерелья, именуются Streptococci, но если они соединяются в своего рода виноградную гроздь, это уже Staphylococci; обе разновидности широко распространены, большинство из вас наверняка о них слышали.
Но это лишь начало. Названий видов, конечно, неизмеримо больше. Есть и названия для более высоких классификационных уровней. Например, филум – набор родов. К примеру, филум Firmicutes (имеющих относительно твердую (firm) кутикулу[20] или клеточную стенку) включает такие роды, как Lactobacillus, Clostridium, Eubacterium и Ruminococcus, в каждом из которых имеется свой набор видов. При этом у каждого вида может иметься множество подвидов, или штаммов. На этом этапе наступает своего рода таксономическая усталость, и новоописанной разновидности обычно просто присваивают порядковый номер.
Разнообразие известных нам бактерий неуклонно растет. А значит, соответствующих названий требуется много. И я намерен использовать их здесь, чтобы интересующиеся могли потом почитать о них подробнее. Впрочем, обычно вполне достаточно представлять себе этих существ как бактерии X, Y или Z. Их названия зачастую почти ничего вам не скажут. Важно то, что делают эти бактерии и какие у них гены. К тому же, откровенно говоря, иногда микроорганизмы носят совершенно идиотские названия. Вряд ли мы наградим похвальными баллами того, кто решил дать одному из родов филума Bacterioidetes название Bacterioides (за этим наверняка стоит какая-то своя история, но мне на нее, признаться, наплевать). Стоило бы снять баллы с того, кто назвал род, чьей метаболической виртуозности нам еще предстоит подивиться в главе 5. Род этот именуется так: Bacteroides thetaiotaomicron. Звучит красиво, если вы не знаете, что Тета-Йота-Омикрон – название одного из студенческих братств американского Виргинского политехнического института.
Специалистов учат ориентироваться в этой трясине исторических палимпсестов и мелких тщеславий. Всем остальным приходится справляться с таксономической неразберихой по мере своих скромных сил. Но в наши дни, как правило, незачем сопоставлять названия: у нас имеются куда более точные методы выяснения того, насколько тесны родственные связи между теми или иными бактериями, где они обитают и за счет чего живут. Быстрое появление целого ряда новых методов позволило нам в полной мере оценить богатство собственного микробного груза. Давайте же обратимся к имеющимся в нашем распоряжении инструментам, которые позволяют ученым исследовать микробиом, а потом уж подробнее поговорим о том, какие открытия сделаны с их помощью.