Как микробы влияют на нашу жизнь. Новое и удивительное о многогранных соседях

Мы живем в мире микробов, маленьких невидимых существ, находящихся за пределами нашего воображения. И считаем их чужими, не уделяем им должного внимания. Но можем чувствовать их запах и вкус, ведь они обитают в нашем организме и вокруг нас. Почти все в мире вращается вокруг этих крошек. Они были здесь задолго до появления человека, и без них не обходится практически ни один процесс на этой планете.

Прежде чем рассказать несколько историй о микробах в вашем доме, я хотела бы немного подготовить вас к экспедиции в этот микрокосм посредством небольшого экспресс-курса «Что вы всегда хотели знать о микробах». Поверьте, это намного интереснее, чем может показаться на первый взгляд.

Кто такие микробы?

Начнем с вопроса: что такое микроб? С научной точки зрения это неточное понятие, потому что мы используем его для определения любого маленького существа, которое не можем увидеть невооруженным глазом. К микробам относят множество очень разных организмов, в числе которых бактерии (группа, о которой мы чаще всего думаем, когда слышим слово «болезнетворные микробы»), археи (внешне напоминают бактерии, но на самом деле совершенно другие), низшие грибы (например, дрожжи) и протисты (примитивные водоросли, амебы, слизистые грибы и простейшие). К микробам также часто причисляют и вирусы.

Микробы – это одноклеточные организмы, в отличие от людей или блох, которые состоят из клеток разных типов, работающих вместе и необходимых друг другу для выживания: отдельно взятые клетки мозга, печени или сердца бесполезны. А вот единственная клетка микроба – это независимое живое существо, которое может выживать и размножаться без помощи других клеток[3]. Поскольку термин «микроорганизмы», который вы, вероятно, уже слышали, в узком смысле подразумевает только бактерии, мы будем по большей части использовать более общее понятие «микроб» независимо от того, идет ли речь о бактериях, вирусах или грибах.

Некоторые бактерии невероятно ленивы и не сдвинутся с места, другие передвигаются по воде или жидкой питательной среде с фантастической скоростью с помощью небольшого встроенного «моторчика» из нитевидных жгутиков.

И, конечно, бактерии представлены в разных формах: есть среди них шарики, палочки и спирали, встречаются даже квадратные бактерии, такие, например, как галофильная (любящая соленую среду) бактерия haloquadratum walsbyi. Ее размер составляет 40 микрометров, она плоская, как почтовая марка, и благодаря встроенным пузырькам газа может удобно дрейфовать на поверхности рассола.

Для многих видов деятельности бактерии и другие микробы должны общаться друг с другом, но только иначе, чем мы. Они производят крошечные сигнальные молекулы, чтобы их могли распознать соседи по среде. Этот способ общения бактерий называется «определение кворума» (в напоминание о «кворуме» в Древнем Риме – определенном количестве голосов, необходимом для легитимности решения): нужно, чтобы в собрании приняло участие определенное количество микробов для принятия решения. Благодаря такому типу коммуникации бактерии даже способны действовать коллективно, например для формирования биопленок. В этом удивительном мире существует множество «языков», даже «молекул эсперанто», понимаемых многими бактериями. Процесс определения кворума был обнаружен у осьминога, у которого есть светящийся орган, заполненный симбиотическими бактериями, так называемый вибрионом Фишера. Когда бактерий достаточно, среди микробов пробегает сигнал, тогда орган начинает светиться, словно фонарик.

Маленький, маленький мир: невидимая вселенная

Большинство микробов невидимы невооруженным глазом. Если клетки в организме животных или человека имеют размер до 30 микрометров, то бактериальные клетки во много раз меньше. На кончике иглы смогут уместиться миллионы таких клеток. Единственный вид бактерий, который виден без всяких приспособлений, – это намибийская серная жемчужина (Thiomargarita namibiensis), которая была обнаружена в Намибии в 1990-х годах. Она достигает в размере до полумиллиметра. Клетка кишечной палочки в среднем всего около двух микрометров в длину, таким образом, чтобы обернуть цепочку вокруг мизинца из таких клеток, их понадобится около 50 тысяч[4]. В миллилитре содержимого кишечника живет больше бактерий, чем людей на земле.

Нашими знаниями о мире крошечных существ мы обязаны изобретению микроскопа и очень умному человеку – Антони ван Левенгуку. До 1676 года бактерии оставались незамеченными. Но затем этот торговец тканями, который даже не был биологом, стал каждую свободную минуту заглядывать в свой самодельный увеличительный прибор и вы-следил их. Самоучка смастерил конструкцию из линз, чтобы лучше оценивать качество тканей. Из любопытства рассматривал также другие вещи: воду из пруда или налет на своих зубах. Лучшая отшлифованная им линза давала увеличение в 500 раз. Так он открыл «анималькул» – массу животных и растительных одноклеточных, а также крупных бактерий.

Нам открылся новый, ранее невидимый мир. Большинство бактерий имеют диаметр от 0,6 до 1,0 микрометра (мкм), и их можно увидеть в обычный световой микроскоп. Вирусы еще в десять раз меньше. В головке портновской булавки вместится 500 клеток вируса, вызвавшего обычный насморк, их можно увидеть только под электронным микроскопом. Вирусы всегда требуют к себе особого отношения. Обычно их даже не причисляют к живым существам, потому что у них нет ни какой-либо формы самоорганизации, ни питания. Вообще отсутствует обмен веществ. Вирусы устроены намного проще, чем бактерии. Это крохотные капсулы с некоторым количеством генетической информации. Бесспорно, что для своего размножения они невероятно агрессивно захватывают клетку, как пираты – корабль, и перестраивают все ее процессы, так что в конечном итоге она производит только небольшие вирусы. Они очень сообразительные ребята.

Микроорганизмы невероятно малы, зато их ужасно много. Число бактерий на нашей планете оценивается в нониллион – единица с 30 нулями, и это больше, чем звезд в галактике. Вирусов еще на два порядка больше. Невероятный факт: по количеству все эти невидимые микроорганизмы перевешивают видимую жизнь на Земле в 100 миллионов раз. Вместе они тяжелее всех растений и животных, которые мы можем видеть. Только в морях обитает невообразимое количество видов: согласно оценкам ученых, это десять в тридцатой степени клеток микробов. Чтобы взвесить массу всех микроорганизмов в морях, нужно было бы поставить на весы 240 африканских слонов[5].

Латынь для микроорганизмов

На сегодняшний день известно более 12 тысяч видов бактерий. И микробиологи каждый день открывают все новые и новые микробы. Вы, должно быть, уже удивлялись тому, какие порой странные наименования имеют бактерии, грибы или вирусы. В биологии ученые в основном применяют латинскую терминологию, поскольку это универсальный способ отличить виды друг от друга. Так, яблоко носит название malus domestica, собака – canis familis, а человек – homo sapiens. Каждая недавно обнаруженная бактерия также получает латинское наименование. Обычно оно связано с какой-то особенностью метаболизма или местом, где обитает микроб. Например, палочковая бактерия лактобацилла превращает молочный сахар, лактозу, в молочную кислоту – лактат. Иногда в названии увековечивают имя открывателя. Например, кишечная палочка, Escherichia coli (эшерихия коли), названа в честь впервые описавшего ее Теодора Эшериха. Иногда названия немного сказочные, даже странные. Карлик Румпельштильцхен из сказок братьев Гримм дал свое имя микобактериофагу – вирусу, который может отправить бактерии в нокаут. И Сurvibacter delicatus – это не ругательное слово, а всего лишь наименование слегка изогнутой палочковой бактерии из Японии.

Занимаются ли бактерии сексом?

Как микробы проводят день? Прежде всего они запасаются энергией и материей, чтобы снова и снова раздваиваться посредством деления. Продолжение рода – любимое занятие этих крошек: микроорганизмы невероятно плодовиты, и это дает им большие преимущества в завоевании новых мест обитания. Одна клетка кишечной палочки в идеальных условиях в течение 20 минут может стать двумя клетками. Рекордсмены среди микробов дают новое поколение потомства менее чем за десять минут. К ним относится, например, clostridium perfringens – противный возбудитель гангрены, который может разрастись вдвое за девять минут. По словам бельгийского биохимика и нобелевского лауреата Кристиана де Дюва, при достаточном потреблении питательных веществ бактериальная клетка способна производить 280 миллиардов потомков в день[6]. По сравнению с этим клетки человеческого организма просто черепашки: за такое же время наши клетки совершают одно деление.

Но нет в мире совершенства, даже среди бактерий один раз на миллион делений случается брак – так называемый мутант. Часто это бывает, когда клетке просто не везет, ведь эксперименты не всегда заканчиваются хорошо. Но иногда, когда бактерии обладают, так сказать, полезным превосходством, а именно возможностью использовать новое питательное вещество, происходит нечто, что дает им невероятное преимущество в эволюции: они могут обмениваться этой информацией и качествами друг с другом, от клетки к клетке, и такие фрагменты генетической информации передаются даже другим видам.

О том, что бактерии могут также заниматься сексом (если мы имеем в виду секс в широком смысле слова), известно уже около 70 лет. В 2001 году американские исследователи «застали с поличным» клетки бактерии с клетками хомяка: бактерии передавали части своего генома клеткам животных, обмениваясь свойствами через так называемый горизонтальный перенос генов.

У многих бактерий кроме обычных кольцеобразных хромосом имеется еще множество маленьких колец ДНК, так называемых плазмид. На них часто находятся генетические факторы способностей, которые могут дать некоторые преимущества в особых условиях окружающей среды (например, устойчивость к антибиотикам). Чтобы передать эти свойства, бактерии разработали специальную технику: вступая в контакт с другой бактериальной клеткой, они могут раздвоить плазмиду, образовать трубчатый отросток – «половой волосок» – и передать через него плазмидную ДНК. Это так называемая конъюгация – процесс, подобный пневмопочте.

Итак, бактерии могут обмениваться данными, а значит, они плавают в некоем общем генофонде. Каждое генетическое изменение, которое становится востребованным, тут же может распространиться повсеместно. Только представьте себе: вы стоите на берегу большой реки и понимаете, что нужны крылья, дабы пересечь ее. Просите своих дальних родственников помочь, и моментально происходит чудо: вы уже умеете летать, или светиться зеленым, или запускать фотосинтез. То есть, с точки зрения генетики, бактерии являются гигантским сообщающимся организмом, состоящим из крошечных членов, очень быстрым и поэтому непобедимым.

Надеюсь, вы уже хорошо знакомы с микробиологией, так что можем позволить себе провести небольшой эксперимент. Составьте мне компанию в путешествии во времени к истокам рождения нашей планеты. Без микробов Земля не стала бы нашей, а мы, люди, вообще не появились бы.

С днем рождения, жизнь!

Невообразимо давно, 3,85 миллиарда лет назад, наша планета немного остыла и покрылась твердой коркой, появилась первая жизнь на Земле, и уже тогда микробы были активными участниками всех процессов. Биологи до сих пор не могут найти ответ на один из главных вопросов: как именно случилось, что какие-то парящие химические элементы собрались вместе и вдруг из них появились протеины – строительный материал жизни?

Представьте, что мы могли бы вместе передвигаться на машине времени, чтобы засвидетельствовать этот момент рождения жизни. Вы бы не узнали нашу Землю: неуютная планета, из-за солнца ничего не видно, странный пейзаж с извергающими огонь вулканами, красным небом и медно-красным морем. И начали бы задыхаться, ведь кислорода еще почти не было.

Когда Чарльз Дарвин, отец теории эволюции, размышлял о происхождении жизни, он представлял себе теплую заводь, образованную приливом, на берегу моря под палящим солнцем. По его мнению, в этом «первичном бульоне» все строительные элементы жизни перемешались и встряхнулись, как коктейль, так и образовалась новая жизнь.

Сегодня исследователи считают, что жизнь зарождалась в обстановке кипящего ада – под постоянной бомбардировкой метеоритами, в условиях экстремальных температур, под интенсивным ультрафиолетовым излучением и в разреженной атмосфере, перенасыщенной метаном, аммиаком и другими токсичными для нас газами. Самые вероятные места зарождения жизни – это клокочущие жерла вулканов на морском дне. В этих гейзерах, «черных курильщиках» в Срединно-океаническом хребте, органические структуры и новые клетки были защищены от смертельного ионизирующего солнечного облучения. Эти источники кишат жизнью и сегодня. Населяют их прежде всего первобытные одноклеточные живые организмы, такие, например, как археи – бактерии, составляющие основу пищевой цепи.

С днем рождения! Вы только что в прямом эфире были свидетелем появления жизни, и я могу представить вас вашему предку – LUCA. Это имя не имеет ничего общего с известной песней Сюзанны Веги, данная аббревиатура расшифровывается как last universal common ancestor, что в переводе означает «последний универсальный общий предок», иными словами, первый общий родственник и предок всего живого на нашей планете. Пусть вас не расстраивает тот факт, что этот кроха достаточно невзрачный: маленький комочек жизни, образованный из мембран и белков, которые могут питатьcя, развиваться и производить потомство. LUCA состоит всего-то из некоторого количества РНК (рибонуклеиновой кислоты) как генетической информации, которая содержится в цитоплазме (жидкое основное вещество клетки), и – в лучшем случае – одной тонкой мембраны. У него еще даже не было клеточного ядра. Вот почему эти ранние прабактерии также называют «прокариотами» – от греч. «доядерный». Все другие живые существа (в том числе и мы, люди) состоят из клеток с клеточными ядрами и относятся к эукариотам (от греч. «настоящее» и «клеточное ядро»). Но мы, высшие существа, появимся на сцене намного позже!

Эти простые прабактерии не испытывали никаких проблем с тем, чтобы заселить любую мало-мальски пригодную нишу. Тогда-то они пришли в отличную форму, и поэтому их также называют «экстремофилами». Первые жители Земли живут и выживают по сей день в самых холодных и жарких местах на планете, на суше и на море. Археи являются еще более «экстремальным» подвидом среди них. Они могут сохранять жизнеспособность даже в кислоте, любят едкие газы или кипящую воду и чувствуют себя комфортно на вулканах или на дне болот. Самые ранние следы жизни исследователи обнаружили в древнейшей породе – серпентините Исуа из Гренландии (возраст 3,8 миллиарда лет). Желающие наглядно испытать, в каких экстремальных условиях зародилась жизнь, должны выехать из Германии. Йеллоустоунский национальный парк или гейзерные пейзажи Исландии и Новой Зеландии – самые известные примеры. Но вы найдете такие места и в Италии: в Сассо Пизано в Тоскане или у вулкана Сольфатара недалеко от Неаполя в горячих грязевых и серных источниках, которые воняют тухлыми яйцами, разноцветные, желтые, ржаво-красные и ядовито-зеленые корки – слизистые отложения, образованные микроорганизмами. Микробиолог Томас Д. Брок из Индианского университета в Блумингтоне выделил на них в 1969 году «термофильную» (теплолюбивую) бактерию thermus aquaticus. Кстати, она живет в наших домах: в посудомоечных машинах, водонагревателях и стиральных машинах.

Бактерии везде – от начала до конца

Если представить историю Земли как 24-часовой день, прабактерии были бы самыми ранними пташками. Жизнь на планете началась с них в 4.30 утра, но пока не отличалась разнообразием и стремительностью событий. Первые одноклеточные микроживотные и водоросли появились только после обеда, около 16 часов. С девяти вечера на земном шаре можно было встретить и простых животных. Наши ранние предки, обезьяны, появились всего за 90 минут до полуночи, а мы сами, представители вида homo sapiens, – за две секунды до 24.00.

Таким образом, люди стали свидетелями лишь крошечной части истории Земли. В это трудно поверить, но на протяжении двух миллиардов лет невидимые микроорганизмы были единственными хозяевами на планете, они пользовались ею вдосталь. Создали нашу биосферу и все важные циклы круговорота углерода, кислорода, серы и фосфора. Сформировали почву и гумус. И наконец, создали основу для развития многоклеточной жизни – растений, животных и человека.

В какой-то момент одноклеточные цианобактерии, известные также как сине-зеленые водоросли, научились отцеживать вещество, которым богата наша планета, – водород, в изобилии содержащийся в воде. И выделили кислород – продукт распада. Фотосинтез стал, несомненно, самым важным биохимическим новшеством, и изобрели его не растения, а бактерии. Большая часть атмосферного кислорода поступает из микроорганизмов, включая современные формы цианобактерий. Морские водоросли и микробы выбрасывают в воздух около 150 миллиардов килограммов в год.

Сначала новый кислород не собирался в атмосфере, а связывался с железом и образовывал оксид железа, который опускался на дно первобытных морей. Много миллионов лет планета буквально ржавела.

Но кислород пошел на пользу не всем живым организмам – для некоторых он стал настоящей катастрофой: они не были к нему приспособлены. В анаэробном (то есть бескислородном) мире он действительно был токсичным. Новые существа, которые могли использовать кислород, обладали двумя большими преимуществами. Благодаря кислороду они производили энергию быстрее, в то же время он уничтожил другие конкурирующие организмы. Теперь на Земле были аэробные организмы, которые переносят кислород, и анаэробные, которые боятся кислорода как черт ладана. Эти последние отступили в ил самых глубоких водоемов, а намного позже – в наши органы (например, кишечные бактерии в кишечнике). Но бесчисленные виды не смогли адаптироваться и погибли.