Как микробы управляют нами. Тайные властители жизни на Земле

Эд Йонг, 2016

Каждое животное, будь то человек, кальмар или оса, является домом для миллионов бактерий и других микробов. Эд Йонг, чей юмор столь же очевиден, как и его эрудиция, побуждает нас посмотреть на себя и наших живых спутников внутри в новом свете – не как на индивидуумов, а как на большой взаимосвязанный и взаимозависимый мир, которым мы, безусловно, являемся. Микробы в наших телах дополняют нашу иммунную систему, помогая ей защищать нас от болезней. В глубоких океанах таинственные существа без ртов или кишок зависят от бактерий, дающих им энергию. Микроорганизмы обеспечивают кальмара плащом невидимости, помогают жукам разрушать леса и снабжают зверей их характерными запахами. Многие люди полагают, что микробы должны быть искоренены. Но те, которые живут с нами, – наш микробиом – строят наши тела, оберегают наше здоровье, формируют нашу самобытность и наделяют нас невероятными способностями. В этой удивительной книге Эд Йонг приглашает нас на грандиозный тур по нашей внутренней вселенной, который изменит наш взгляд на природу и на нас самих. Познание себя завораживает.

Глава 4

Условия договора

В 1924 году Маршалл Гертиг и Симеон фон Вольбах обнаружили внутри комара обыкновенного, Culix pipiens, пойманного неподалеку от Бостона и Миннеаполиса, новый микроорганизм^[131]. Внешне он чем-то напоминал бактерию Rickettsia, которая, как прежде установил Вольбах, вызывает пятнистую лихорадку Скалистых гор и сыпной тиф. Однако новый микроб вроде бы ни к каким заболеваниям причастен не был, так что внимания на него обращать не стали. Лишь двадцать лет спустя Гертиг официально назвал его Wolbachia pipientis — в честь друга, его открывшего, и комара, его носящего. И лишь спустя еще много десятилетий биологи наконец осознали, насколько эта бактерия на самом деле особенная.

У многих людей есть любимый фильм или любимая группа, а у популяризаторов науки, часто пишущих про микробиологию, нередко появляется любимая бактерия. У меня это вольбахия. Характер ее великолепен, а распространена она потрясающе широко. А еще она является замечательным примером двуличности микробов — партнеров и паразитов.

В 1980-х и 1990-х, после того как Карл Везе открыл миру способ идентифицировать микробов путем секвенирования их генов, биологи начали обнаруживать вольбахию повсюду. Ученые, независимо друг от друга исследующие бактерий, способных управлять половой жизнью своих хозяев, поняли, что все это время работали с одним и тем же микроорганизмом. Ричард Стаутхамер открыл группу асексуальных наездников, все представители которой были самками и размножались клонированием. Этой чертой они оказались обязаны бактерии, а именно вольбахии: когда Стаутхамер накормил их антибиотиками, среди них вдруг снова появились самцы и представители обоих полов начали спариваться. Тьерри Риго обнаружил в мокрицах бактерий, превращающих самцов в самок, препятствуя образованию половых мужских гормонов, — и это тоже были вольбахии. Грег Херст выяснил, что зародышей самцов прекрасной лунной бабочки с Фиджи и Самоа убивала бактерия, в результате чего самки превосходили количеством самцов примерно в сто раз, — снова вольбахия. Все они относились к разным штаммам и представляли из себя разные версии микроба из комара Гертига и Вольбаха^[132].

Вольбахия не просто так «ненавидит» самцов. Она может передаваться следующему поколению только в яйцеклетках — сперматозоиды слишком мелкие, ей в них не поместиться. Ее билет в будущее — это самки, а самцы — эволюционный тупик. Так что в процессе эволюции у нее появилось множество способов от самцов избавиться. Она их убивает — пример тому бабочки Херста. Превращает в самок — пример тому мокрицы Риго. Делает так, что самцы становятся вообще не нужны, давая самкам возможность размножаться вегетативным способом, — пример тому наездники Стаутхамера. На все эти уловки способна не только вольбахия, но лишь она имеет в своем арсенале сразу три.

В тех случаях, когда вольбахия все-таки позволяет самцам выжить, она не перестает ими управлять. Она частенько вносит изменения в их сперму, чтобы они не могли оплодотворять яйцеклетки, если те не заражены тем же штаммом вольбахии. В результате зараженные самки (которые могут спариваться с кем угодно) получают преимущество перед незараженными (которые могут спариваться лишь с незараженными самцами). С каждой сменой поколений зараженных самок становится все больше, как и переносимых ими особей вольбахии. У эффекта и название есть — цитоплазматическая несовместимость. Это самая любимая и успешная стратегия вольбахии — штаммы, которые ей следуют, распространяются по популяции настолько быстро, что, как правило, заражают 100 % потенциальных хозяев.

Вдобавок к своим мужененавистническим приемам вольбахия прекрасно справляется с вторжением в яичники и захватом яйцеклеток, так что за родителями ее «донашивает» потомство. А еще она с необычной ловкостью находит себе новых хозяев, так что, даже если с одним видом ей приходится разойтись, она может поселиться в дюжине новых. «Одну и ту же вольбахию я могу найти в австралийском жуке и европейской мухе», — говорит биолог Джек Уэррен, исследующий эту бактерию. Потому-то вольбахия и стала столь распространенной. В одном недавнем исследовании выяснилось, что она поражает по меньшей мере четыре из десяти видов членистоногих — в эту группу входят насекомые, пауки, скорпионы, клещи, мокрицы и многие другие. Это же абсурдные масштабы! Большинство из примерно 7,8 миллиона живущих сейчас видов животных — это членистоногие. Если вольбахия действительно поразила из них 40 %^[133], то, пожалуй, она является самой успешной бактерией в мире — по крайней мере, на суше^[134]. Вольбах, к сожалению, об этом так и не узнал. Он умер в 1954 году, не подозревая, что его именем был назван один из самых пронырливых инфекционных агентов во всей истории жизни.

У многих животных вольбахия поражает половую систему, то есть манипулирует половой жизнью хозяев для достижения своих целей. Хозяевам из-за этого тяжко — одни умирают, другие становятся бесплодными. Тем, до кого бактерия не добралась, тоже нелегко — партнеров для спаривания у них совсем мало. Казалось бы, вольбахия — архетип «злого микроба», однако у нее есть и полезные качества. Она приносит пользу некоторым круглым червям, какую — неизвестно, однако они без нее не могут выжить. Она защищает некоторые виды мух и комаров от вирусов и других патогенов. Наездники Asobara tabida без нее не способны создавать яйца. Для постельных клопов вольбахия — питательная добавка: она производит витамины группы B, а в крови, которой клопы питаются, их почти нет. Без вольбахии клопы задерживаются в развитии и не могут производить потомство^[135].

Но о самом поразительном свойстве вольбахии вы узнаете, если прогуляетесь осенью по яблоневому саду в Европе. Среди желтых и рыжих листьев вы, возможно, найдете несколько с зелеными островками — они словно защищаются от увядания. Это работа моли-пестрянки Phyllonorycter blancardella, чьи гусеницы обитают в листьях яблони. Практически все они являются носителями вольбахии. В этих насекомых она выделяет гормоны, предотвращающие пожелтение и отмирание листа. Именно с помощью нее гусеницы задерживают приход осени, чтобы дать себе время вырасти. Если избавиться от вольбахии, листья погибнут и опадут, а вместе с ними и гусеницы.

Получается, что вольбахия — создание многоликое. Одни штаммы — самые настоящие паразиты, эгоистичные интриганы, благодаря своему манипуляторскому мастерству распространившиеся по всему миру на крыльях и ножках тысяч хозяев. Они убивают животных, извращают их биологию и ограничивают их в выборе. Другие же — мутуалисты, доброжелатели, незаменимые союзники. А некоторые так вообще все сразу. И вольбахия в своем многообразии не единственная.

Эта мысль довольно необычна для книги, повествующей о том, как важно мирно сосуществовать с микробами, но в то же время крайне важна: микробов вообще нельзя разделить на хороших и плохих. Для детских сказок такие обобщения еще подойдут, но уж точно не для описания беспорядочных, капризных, неоднозначных связей в живой природе^[136].

В действительности бактерии могут вести себя по-разному и быть как «плохими» паразитами, так и «хорошими» мутуалистами. Некоторые микробы, например вольбахия, запросто меняют роли в зависимости от штамма и организма-хозяина. Однако многие являются одновременно и патогенами, и мутуалистами: желудочные бактерии Helicobacter pylori вызывают язву и рак желудка, зато те же штаммы защищают нас от рака пищевода^[137]. Некоторые способны надевать разные маски в зависимости от обстоятельств, находясь в одном и том же хозяине. Вполне можно сказать, что названия «мутуалист», «комменсал», «патоген» и «паразит» — не отличительные знаки, а скорее различные варианты состояния (наподобие «голодный», «заспанный», «живой») или типы поведения («сотрудничающий», «враждебный»). Они больше напоминают прилагательные и причастия, чем существительные, так как служат для описания отношений двух партнеров в определенный момент и в определенных условиях.

Николь Бродерик обнаружила отличный пример того, как меняются отношения между микробом и хозяином, во время изучения почвенной бактерии Bacillus thuringiensis, или Bt. Бацилла производит токсины, которые пронзают пищеварительный тракт гусеницы и тем самым ее убивают. Фермеры, кстати, с 1920-х годов охотно используют ее в качестве живого пестицида, даже на органических фермах. Об эффективности такого метода никто не спорит, но на протяжении аж нескольких десятилетий ученые ошибочно думали, что насекомые попросту умирали от голода, так как повреждения от токсинов были слишком серьезными. В этом объяснении явно чего-то не хватало: исследования показали, что гусенице для голодной смерти требовалась неделя, а Bt могла ее убить дня за три.

Что у них там происходило на самом деле, Бродерик выяснила едва ли не случайно^[138]. Она подозревала, что в кишках гусениц могли быть микробы, защищающие их от Bt. Поэтому, перед тем как порадовать очередную группу гусениц живым пестицидом, она накормила их антибиотиками. Ожидалось, что в отсутствие микробов-защитников гусеницы умрут еще быстрее. А они взяли и все выжили. Как выяснилось, эти кишечные бактерии не защищают гусениц, а скорее являются орудием их убийства бациллами! В кишках они безвредны, но они могут проникнуть в кровь через повреждения от токсинов Bt. Тогда их замечает иммунная система гусениц — и привет. По организму распространяется воспаление, повреждая органы и препятствуя нормальному кровотоку. Заражение крови — вот от чего насекомые погибают.

Возможно, то же самое ежегодно происходит с миллионами людей. Нас так же заражают патогены, протыкающие нам кишки, а потом наши кишечные микробы отправляются в круиз по кровеносной системе, устраивая нам заражение крови. Как и у гусениц, эти микробы могут помогать нашему организму, находясь в кишечнике, и становиться нашими врагами, попадая в кровоток. Они являются мутуалистами лишь тогда, когда этому способствует их окружающая среда. Те же принципы применимы к живущим в нас «бактериям-оппортунистам»: обычно они безвредны, но в организмах с ослабленным иммунитетом вполне могут вызвать опасную для жизни инфекцию^[139]. В общем, все зависит от ситуации. Даже такие давние и надежные симбионты, как митохондрии, источники энергии в животных клетках, могут сильно навредить, оказавшись не в том месте. Если вы, скажем, порежетесь или ударитесь, часть ваших клеток разорвется, а фрагменты митохондрий попадут в кровь. Не стоит забывать о древней бактериальной природе этих фрагментов: когда ваша иммунная система их заметит, ей покажется, что организму угрожает инфекция, и она начнет формировать защиту от нее. Если травма серьезная и в кровь попало достаточно митохондрий, воспаление может разойтись по всему телу и стать причиной синдрома системной воспалительной реакции организма (SIRS)^[140]. Этот синдром может причинить организму больший ущерб, чем сама травма. Как бы глупо это ни звучало, SIRS возникает лишь оттого, что наше тело перегибает палку при встрече с микробами, мирно живущими у нас в клетках более двух миллиардов лет. Даже красивый цветок с клумбы можно посчитать за сорняк, если он вырастет на грядке с тыквами. Так и с микробами: они могут быть незаменимы в одном органе и опасны в другом, жизненно необходимы внутри наших клеток и смертоносны вне их. «Если у вас немного снизится иммунитет, они вас убьют, а когда вы умрете — сожрут, — стращает Форест Роуэр, специалист по биологии кораллов. — Им до вас нет дела. Это не дружба, это всего лишь биология».

Так что в мире симбиоза наши союзники могут запросто нас предать, а враги — встать на нашу сторону. Для того чтобы разрушить давний союз, порой достаточно пары миллиметров.

Так почему наши с ними отношения столь ненадежны? Почему микробы вот так вот запросто становятся то патогенами, то мутуалистами? На самом деле эти роли противоречат друг другу не так сильно, как кажется на первый взгляд. Что дружелюбному соседушке-микробу нужно сделать в кишечнике, чтобы выжить и установить с организмом хозяина прочные отношения? Правильно — уцепиться за стенки кишечника, чтобы не унесло, и начать взаимодействовать с клетками нового дома. То же самое должны сделать и патогены. Так что и герои, и злодеи часто используют одни и те же молекулы для одних и тех же целей. Каким-то из этих молекул дали имена с негативной коннотацией: например, «факторы вирулентности» — так как открыты они были в контексте болезни, — а ведь на самом деле и они, и использующие их микробы сами по себе нейтральны. Они — всего лишь инструменты, как компьютер, шариковая ручка и нож: с их помощью можно как творить чудеса, так и устраивать пакости.

Даже микробы, которых мы считаем полезными, могут нам косвенно вредить, создавая уязвимости, облегчающие работу паразитам и патогенам. Иногда эти уязвимости появляются просто из-за самого их присутствия. Микробы, живущие в организме тли и необходимые для ее жизнедеятельности, например, производят летучие молекулы, привлекающие муху-журчалку. Для тли эта черно-желтая мушка, внешне напоминающая осу, — верная смерть. Ее личинки, пока не окуклятся, пожирают тлей сотнями, так что для того, чтобы прокормить потомство, взрослые особи вынюхивают «Микробиом № 5» — отличительный аромат тли, которым она не может не пахнуть. В природе таких непреднамеренных приманок не счесть — вы, кстати, их тоже выделяете прямо сейчас. Некоторые бактерии превращают хозяев в ходячий шведский стол для малярийных комаров, а другие, наоборот, их отпугивают. Никогда не видели, как из двух людей, вместе бродивших по лесу, один с ног до головы покрыт укусами мошек, а второй идет себе и улыбается лучезарно? Частично за это отвечают наши собственные микробы^[141]

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

131

Историю исследований Вольбаха и Гертига подробно описывают Kozek, Rao, 2007.

132

Наездники Стаутхамера: Schilthuizen, Stouthamer, 1997; мокрицы Риго: Rigaud, Juchault, 1992.; бабочки Херста: Hornett et al., 2009; обзор всего вышеперечисленного: Werren et al., 2008; LePage, Bordenstein, 2013.

133

В более раннем исследовании подсчитали, что она присутствует в организме 66 % членистоногих (Hilgenboecker et al., 2008), но в более позднем решили, что 40 % ближе к правде (Zug, Hammerstein, 2012).

134

Возможно, в океане обитают и более распространенные бактерии. Одна из них — Prochlorococcus — распространена настолько, что всего в миллилитре воды с поверхности океана их копошится около 100 тысяч. Они вырабатывают около 20 % кислорода в атмосфере. Вдохните пять раз — часть кислорода, что вы вдохнули, наверняка была выработана этими бактериями. Но это рассказ для другой книги.

135

Нематоды: Taylor et al., 2013; мухи и комары: Moreira et al., 2009; постельные клопы: Hosokawa et al., 2010; моль-пестрянка: Kaiser et al., 2010; наездник: Pannebakker et al., 2007. У наездника довольно извращенная причина быть зависимым от других. Его организм, как и организм любого другого животного, обладает программами самоуничтожения, чтобы избавляться от собственных поврежденных или злокачественных клеток. Вольбахия эти программы ослабляет, а наездник, чтобы это компенсировать, напротив, повышает их чувствительность. Теперь, если избавить организм наездника от вольбахии, он начинает по ошибке уничтожать клетки тканей, необходимых для появления яиц. Наездник столько боролся с бактерией, что в итоге начал на нее полагаться. Никаких преимуществ вольбахия ему не предоставляет, но расстаться эти двое теперь не смогут при всем желании.

136

Dale, Moran, 2006; Douglas, 2008; Kiers, West, 2015; McFall-Ngai, 1998.

137

Blaser, 2010.

138

Broderick et al., 2006.

139

Теодор Розбери слово «оппортунист» терпеть не мог. «Такое название снова намекает на сходство между микробом и человеком, словно микробы перенимают наши грехи! — писал он. — Все микробы, все живые организмы реагируют на происходящие вокруг изменения. У них появляются новые различные возможности — так безвредные микробы становятся опасными». Для описания появляющихся в природе союзов, которые при одних условиях приносят пользу, а при других — вред, он придумал новый термин — амфибиоз. Хороший термин и даже изящный, но, пожалуй, излишний — множество, если не большинство союзов и так являются таковыми.

140

Zhang et al., 2010.

141

Муха-журчалка: Leroy et al., 2011; комары: Verhulst et al., 2011.