Бактерии повсюду – хотя с точки зрения наших глаз их вообще нигде нет. Исключения, конечно, есть, но их крайне мало: бактерия Epulopiscium fishelsoni, обитающая только в пищеварительном тракте коричневого хирурга (это такая рыба), бывает размером вот с эту точку. Остальных невооруженным глазом не разглядеть, а значит, очень долго бактерии оставались невидимками. Обратившись к нашему воображаемому календарю, сжавшему историю Земли до одного года, мы увидим, что бактерии появились на планете в середине марта. На протяжении всей эпохи правления микроорганизмов об их существовании никто даже не подозревал. Из безвестности они вышли лишь за несколько секунд до конца года, когда один любознательный натуралист из Нидерландов зачем-то решил рассмотреть каплю воды через самодельные линзы непревзойденного на тот момент качества.
Антони ван Левенгук родился в 1632 году в суетливом городке Делфте, центре международной торговли, насквозь пронизанном каналами, аллеями и каменными мостовыми[33]. Днем он управлял небольшой галантерейной лавкой, а ночью делал линзы. Место и время были как раз подходящими: совсем недавно голландцы изобрели телескоп и составной микроскоп. Благодаря небольшим стеклянным кружочкам ученые получили возможность разглядывать то, что из-за расстояния или размера нельзя было увидеть невооруженным глазом. Одним из этих ученых был Роберт Гук, энциклопедист из Англии. Что он только не рассмотрел – и блох, и вшей, и острия игл, и павлиньи перья, и семена мака. В 1665 году результаты его наблюдений были опубликованы в книге под названием «Микрография», куда Гук также включил множество великолепных, подробных иллюстраций. В Британии книга сразу стала хитом продаж. Штучки маленькие – популярность огромная.
Левенгук, в отличие от Гука, не получал высшего образования, не был квалифицированным ученым, не знал латыни и говорил только на нидерландском языке. Это не помешало ему методом проб и ошибок научиться делать линзы, равных которым не было нигде. Точный процесс создания линз неизвестен, но выглядело это приблизительно так. Сначала он шлифовал стеклянный шарик до такой степени, что тот превращался в гладкую, идеально симметричную линзу диаметром меньше двух миллиметров. Ее он вставлял между двумя латунными прямоугольными брусками. Затем с помощью крошечной булавки он прикреплял перед линзой то, что хотел рассмотреть, и закреплял это парой винтиков. Полученный в результате микроскоп напоминал скорее витиеватую дверную петлю, да и вообще мало чем отличался от обычной настраиваемой лупы. Левенгуку приходилось держать его так, что тот почти касался его лица, и вглядываться в крохотную линзу при ярком свете солнца. Для глаз эти модели с одной линзой были утомительнее, чем оптические микроскопы с несколькими линзами, которые изготавливал Гук. Зато они давали более четкое изображение при большем увеличении. Приборы Гука увеличивали предметы в 20–50 раз, а линзы Левенгука – до 270 раз. В те времена его микроскопы однозначно были лучшими на Земле.
Однако, как замечает Алма Смит Пэйн в биографии Левенгука, «он не только отлично делал микроскопы, но еще и прекрасно умел ими пользоваться». Он фиксировал все в подробностях, проводил повторные наблюдения и методические опыты. Хоть он и не был профессионалом, научный метод таился у него внутри, словно инстинкт, – как, кстати, и безграничное любопытство настоящего ученого. С помощью своих линз он рассматривал шерсть самых разных животных, мушиные головы, древесину, семена, мышцы кита, частички кожи и бычьи глаза. Он увидел множество чудес, а затем показал их друзьям, родственникам и делфтским ученым.
Один из этих ученых, врач Ренье де Грааф, был членом Королевского научного общества – высоко почитаемого союза ученых, недавно основанного в Лондоне. Он посоветовал своим коллегам связаться с Левенгуком, чьи микроскопы «во много раз превосходят те, что мы до сей поры видели». Генри Ольденбург, секретарь общества и редактор выпускаемого им журнала, последовал его совету и через некоторое время перевел и опубликовал несколько писем Левенгука. Написаны они были неформальным языком и обезоруживали своей беспорядочностью, зато автор с непревзойденной точностью и старанием описал красные кровяные тельца, ткани растений и пищеварительную систему вшей.
А затем Левенгук решил рассмотреть воду из озера Беркельсе Мер в окрестностях Делфта. Собрав стеклянной пипеткой немного мутной жидкости, он капнул ее под линзу микроскопа и увидел, что там кишмя кишат живые существа – «маленькие зеленые облачка» водорослей наряду с тысячами крошечных танцующих созданий[34]. «Микроскопические зверушки[35] двигались в воде так шустро, туда-сюда, вперед и взад – просто чудо расчудесное! – писал он. – И по-моему, некоторые из них были больше чем в тысячу раз мельче самых маленьких из тех, что я видел на корке сыра»[36]. Это были организмы из группы простейших, которая включает в себя амеб и других одноклеточных эукариот. Левенгук стал первым человеком, увидевшим их[37].
В 1675 году Левенгук решил взглянуть на воду, скопившуюся в горшке после дождя, и его взору снова открылся удивительный зверинец. На этот раз он увидел мельчайших созданий, извивающихся, словно змеи, а также овалы «с разными крохотными лапками» – это тоже были простейшие. Он увидел и еще более мелких существ, в тысячу раз меньше, чем глаз блохи, которые «вертелись с быстротой невероятной, будто юла». Да это же бактерии! Позже он рассмотрел воду, собранную в его кабинете, на крыше дома, в каналах Делфта, в море неподалеку и в колодце его сада – «анималькули» были везде. Жизнь, как выяснилось, существовала в немыслимых количествах за пределами восприятия – увидеть ее мог лишь один человек, и все благодаря превосходным линзам. Как позже писал историк Дуглас Андерсон, «никто прежде не видел почти ничего из того, что видел он». Кстати, а с чего он вообще решил посмотреть на воду в микроскоп? Что заставило его разглядывать капли дождя, скопившиеся в горшке? То же самое можно спросить о многих людях из истории микробиологии: они были теми, кто решил взглянуть.
В октябре 1676 года Левенгук поведал Королевскому обществу о своих открытиях[38]. Меньше всего его письма напоминали научные доклады академических журналов. В них было полно сплетен и жалоб на здоровье. Как заметил Андерсон, «человеку не помешал бы блог». В октябрьском письме, например, он рассказал о погоде в Делфте тем летом. Но и «анималькулей» он в нем описал на удивление подробно. Они были «невероятно мелкие, нет, настолько мелкие, что, по-моему, если сотню этих крошек выложить в ряд, они и до размера крупной песчинки не дотянут, а если это правда, то десять сотен тысяч этих созданий едва ли будут равны этой самой песчинке». (Позже он заметил, что песчинка в диаметре составляет около 1/80 дюйма, а значит, «эти крошки» в длину были около 3 микрометров. В среднем бактерии как раз такого размера. Этот человек был потрясающе точен в расчетах.)
Представьте, что кто-то заявил об открытии чудных, невидимых созданий, которых никто никогда прежде не видел. Вы ему поверите? Вот и Ольденбург засомневался, однако письмо Левенгука в 1677 году все же опубликовал. Ник Лейн назвал эту публикацию «выдающимся памятником непредвзятому научному скептицизму». Тем не менее Ольденбург приписал, что Общество хотело бы узнать детали работы Левенгука, чтобы его неожиданные наблюдения могли быть подтверждены и другими. Левенгук не пошел ему навстречу – его методы создания линз держались в тайне. Вместо того чтобы эту тайну раскрывать, он показал «анималькулей» местным нотариусу, адвокату, доктору и другим авторитетным господам, а те в свою очередь убедили Королевское общество, что Левенгук и вправду мог все это видеть. Другие мастера тем временем пытались повторить проделанную Левенгуком работу, но безуспешно. Даже великий Гук поначалу ничего не добился. Успеха он достиг лишь тогда, когда обратился к ненавистным ему микроскопам с одной линзой. Этот успех подтвердил слова Левенгука и закрепил его репутацию в научных кругах. В 1680 году торговец без высшего образования был избран членом Королевского общества. А так как латыни и английского он все еще не знал, свидетельство о членстве согласились написать на нидерландском.
Будучи первым человеком, увидевшим микробов как таковых, вскоре Левенгук стал еще и первым, кто увидел своих личных микробов. В 1683 году он заметил, что между зубов у него скопился плотный белый налет, и, разумеется, решил рассмотреть его через линзы. Он увидел еще больше существ, которые «весьма изящно шевелятся!». Там были и длинные палочки в форме торпеды, стремительно перемещающиеся по воде «щуке подобно», и существа поменьше, вращающиеся как заведенные. «Во всех Объединенных Нидерландах людей меньше, чем этих существ сегодня у меня во рту!» – писал он. Этих микробов он срисовал, и набросок, который у него получился, стал «Моной Лизой» микробиологии. Он изучил микроорганизмы и во рту других жителей Делфта – двух женщин, восьмилетнего ребенка и старика, который, по слухам, ни разу в жизни не чистил зубы. Как-то раз он капнул на налет с собственных зубов виноградным уксусом и увидел, что «анималькули» затихли. Это было первое свидетельство обеззараживания.
Умер Левенгук в 1723 году в возрасте 90 лет. К тому времени он стал одним из самых известных членов Королевского общества. Им он завещал черный лакированный шкафчик с выдвижными ящиками, в котором хранились 26 созданных им изумительных микроскопов с образцами. Каким-то невероятным образом шкафчик исчез, его так и не нашли. Эта пропажа тем более прискорбна, что Левенгук так никому и не объяснил, как создавал инструменты. В одном из своих писем он жаловался, что учеников интересует не столько «открытие невидимых глазу вещей», сколько деньги и слава. «Среди тысячи людей сложно найти одного, кто мог бы проводить такие исследования, ведь на них тратится столько времени и денег! – сокрушался он. – Но самое-то главное – большинству даже не интересно, а некоторые и прямо говорят: да какая разница, знаем мы об этом или нет?»[39]
Его отношение к своим наработкам чуть их не погубило. Другие, глядя в микроскопы, уступающие по качеству линзам Левенгука, ничего не видели и прибегали к выдумкам. Интерес к этой теме пошел на спад. Карл Линней при классификации живых организмов отнес микробов к одному роду, назвав его Chaos, что означает «бесформенный», и к классу Vermes, что означает «черви». Между открытием мира микробов и надлежащим его исследованием пройдет полтора века.
Микробов сейчас так тесно связывают с болезнями и грязью, что, если показать человеку населяющие его рот множества, он, вероятнее всего, с отвращением шарахнется. Левенгук такой неприязни к микробам не испытывал. Тысячи мельчайших существ? В питьевой воде? У него во рту? У всех во рту? Вот здорово! Если он и подозревал, что микробы могут становиться причиной заболеваний, в своих письмах он не сказал об этом ни слова. Его письма вообще были замечательны тем, что в них не было спекулятивных рассуждений. Другие ученые этим похвастаться не могли. В 1762 году венский врач Маркус Пленчич заявил, что размножение микроскопических существ в организме и распространение их по воздуху могло становиться причиной болезней. «За каждой болезнью стоит свой организм», – утверждал он. Эти слова были провидческими, но, увы, они не были подкреплены доказательствами, а значит, он не мог убедить остальных в том, что эти незначительные организмы, оказывается, очень даже значительны. «Я не буду тратить время на опровержение столь абсурдных гипотез», – писал один из критиков[40].
В середине XIX века ситуация начала меняться – все благодаря химику Луи Пастеру, дерзкому и самодовольному французу[41]. Он показал, что жидкость под влиянием бактерий скисает, а сырое мясо разлагается. И если бактерии приводят к брожению и разложению, стать причиной заболеваний они тоже вполне могут, заключил Пастер. Эту так называемую микробную теорию поддерживали Пленчич и многие другие, но менее противоречивой она от этого не становилась. В те времена считалось, что болезни вызывал исходящий от гнилого мяса дурной воздух, так называемые миазмы. Пастер опроверг это мнение в 1865 году, выяснив, что обе болезни, поразившие шелкопрядов во Франции, были вызваны микробами. Изолировав зараженные яйца от здоровых, он предотвратил распространение недуга и спас шелковую промышленность от упадка.
Тем временем Роберт Кох, немецкий микробиолог и врач, пытался положить конец падежу скота на фермах из-за эпидемии сибирской язвы. В тканях умерших животных другие ученые тогда уже нашли бактерию Bacillus anthracis. В 1876 году Кох ввел ее мыши – та скончалась. Он извлек бациллу из тела и ввел ее другой мыши – та тоже скончалась. Ученый неумолимо продолжал вводить эту бактерию грызунам на протяжении двадцати с лишним поколений, но результат оставался неизменным. Так Кох окончательно доказал, что возбудителем сибирской язвы является Bacillus anthracis. Микробная теория болезней оказалась верна.
О микробах снова вспомнили, но теперь в худшем свете. Их начали считать вредителями, патогенами, разносчиками заразы – в общем, воплощением смерти. За следующие два десятилетия Кох и другие ученые выяснили, что появлением лепры, гонореи, брюшного тифа, туберкулеза, холеры, дифтерии, столбняка и чумы мы также обязаны бактериям. Здесь, как и в истории с Левенгуком, особую важность приобрели новые инструменты и методы – линзы лучшего качества, выращивание чистых микробных культур в чашках с агаром и новые красители, с помощью которых было проще замечать бактерий и определять их тип. От определения, как правило, сразу переходили к уничтожению. Британский хирург Джозеф Листер, вдохновившись примером Пастера, начал применять в своей практике дезинфекцию – он заставлял подчиненных обрабатывать руки, инструменты и операционные столы антисептическими веществами и тем самым спас бессчетное число пациентов от инфекционных заболеваний. Другие ученые тем временем занялись поисками новых препятствий для бактерий, чтобы лечить болезни, повысить уровень санитарии и дольше хранить еду. Бактериология стала прикладной наукой, изучающей микробов для того, чтобы их отпугивать и уничтожать.
Как раз перед этими открытиями – в 1859 году – некий Чарльз Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов», что явно не пошло на пользу репутации микробов. «Так сложилось, что развитие микробной теории болезней пришлось на эпоху беспощадного дарвинизма, во время которой любые взаимодействия между живыми организмами расценивались как борьба за выживание и все вокруг считались либо союзниками, либо врагами – третьего просто не было дано, – писал микробиолог Рене Дюбо[42]. – Все последующие попытки взять инфекционные заболевания под контроль были сформированы именно этой позицией. Это и привело к началу жестокой борьбы с микробами, целью которой было уничтожение их как в организме больного, так и в мире в целом».
Эта позиция сохранилась по сей день. Если я зайду в библиотеку и вышвырну из окна любую книгу о микробиологии, проходящий в этот момент под окном человек наверняка получит черепно-мозговую травму. А вот если я вырву из этой книги все страницы, на которых рассказывается о полезных микробах, я разве что кого-нибудь бумагой смогу порезать. Микробиология до сих пор ассоциируется у нас в первую очередь с болезнями и смертью.
Пока одни ученые, греясь в лучах славы, вовсю открывали новые виды болезнетворных микробов, другие, пребывая в тени, вкалывали над исследованиями, которые в итоге представят микробов в совершенно ином свете.
Мартинус Бейеринк был одним из первых ученых, продемонстрировавших миру истинную важность микробов. Этот резкий, погруженный в себя и не пользующийся популярностью нидерландец терпеть не мог как людей, за исключением разве что нескольких коллег, так и медицинскую микробиологию[43]. Болезни его не интересовали. Он предпочитал изучать микробов в естественной среде обитания – в почве и воде, на корнях растений. В 1888 году он открыл бактерий, превращающих азот из воздуха в аммиак, который потом потребляли растения, а через некоторое время обнаружил новый вид бактерий, участвующих в круговороте серы в почве и атмосфере. Его открытия послужили толчком к возрождению микробиологии в Делфте – городе, где работал Бейеринк и где Левенгук два века назад впервые увидел бактерий. Члены созданной им Делфтской школы наряду с единомышленниками, среди которых был Сергей Виноградский из России, прозвали себя экологическими микробиологами[44]. Благодаря им выяснилось, что микробы – неотъемлемая часть нашей планеты, а не просто угроза человечеству.
Газеты того времени заговорили о «хороших бактериях», которые удобряли почву и участвовали в производстве выпивки и молочных продуктов. В учебнике 1910 года написано, что «плохие бактерии», которые так всех заинтриговали, «являются лишь небольшой специализированной ветвью бактерий и в целом особой важности не представляют»[45]. Авторы учебника утверждали, что большинство бактерий являются редуцентами, то есть возвращают питательные вещества из разлагающихся органических тканей в почву и воду. «Не будет преувеличением сказать, что без них… жизнь на нашей планете наверняка исчезнет».
Другие микробиологи рубежа веков выяснили, что многие микробы обитают в телах животных, растений и других видимых живых существ. Оказалось, что лишайник, украшающий цветными кляксами камни, стены, бревна и кору деревьев, состоит из множества микроскопических водорослей, живущих в симбиозе с хозяином-грибом и снабжающих его питательными веществами в обмен на воду и микроэлементы[46]. Выяснилось, что в клетках животных – например, морских анемонов и плоских червей – тоже содержатся водоросли, а у муравьев-древоточцев – бактерии. Растущие на корнях деревьев грибы, которые издавна считались паразитами, оказались партнерами – они обеспечивают деревья азотом, получая взамен углеводы.
Это партнерство получило название «симбиоз» – от греческого «совместная жизнь»[47]. Сам термин не имел какой-либо эмоциональной окраски и мог обозначать любую форму совместного существования. Если один партнер получал выгоду за счет другого, он считался паразитом (или патогеном, если он при этом причинял вред здоровью соседа). Если выгоду партнер получал, но хозяину от этого не было ни холодно, ни жарко – это комменсализм, а если хозяин тоже получал от сожительства выгоду – мутуализм. Все это разные формы симбиоза.
Возникли эти понятия в крайне неудачное время. Биологи, находясь под влиянием дарвинизма, были заняты обсуждением теории естественного отбора. Считалось, что все формы жизни, не покладая лап, вели кровавую борьбу за выживание. Томас Гексли, «бульдог Дарвина», сравнивал мир животных с боем гладиаторов. Симбиоз же подразумевал сотрудничество и взаимопомощь. С идеями конкуренции и конфликта он не сочетался, как и с общепринятым мнением, что все микробы – злодеи. После того как Пастер провел свои исследования, присутствие микробов стали считать первым признаком болезни, а их отсутствие – знаком того, что все в порядке. Сама мысль о том, что микробы могут быть безвредными, казалась настолько абсурдной, что Фридриху Блохманну, впервые увидевшему бактерий в телах муравьев-древоточцев в 1884 году, пришлось прибегать к языковым выкрутасам, лишь бы не называть их бактериями[48]. В своих ранних записях он окрестил их «плазматическими прутиками» или «весьма заметными волокнистыми образованиями в плазме яйца». Лишь в 1887 году – после трех лет тщательной работы – он наконец занял четкую позицию по этому вопросу: «Ничего другого не остается, кроме как заявить, что эти прутики и есть бактерии».
Другие ученые тем временем выяснили, что в кишечнике у людей и других животных обитают целые армии бактерий-симбионтов. Ни болезней, ни разложения они не вызывали – просто жили себе спокойно, как «нормальная флора». «С появлением животных… бактерии время от времени должны были неизбежно попадать в их тела», – писал Артур Исаак Кендалл, один из первых исследователей кишечных бактерий[49]. Тело человека для микробов стало лишь очередным местом, куда можно заселиться, и Кендалл был убежден, что подавлять и уничтожать их не нужно – для начала с ними стоит хотя бы познакомиться. Конечно, проще сказать, чем сделать. Уже тогда было ясно, что микробов у нас в организме ну просто сокрушительно много. Теодор Эшерих, открывший кишечную палочку – бактерию, которая стала главным оплотом микробиологической науки, – как-то написал: «Сомнительное и бесполезное, казалось бы, занятие – пытаться разобраться в бактериях, вроде бы случайным образом оказывающихся в кишечнике и нормальном стуле, ведь на их появление, похоже, влияет множество не связанных между собой обстоятельств»[50].
Что ж, современников Эшериха это не останавливало. Они создавали описания бактерий, живущих в организмах котов, собак, волков, тигров, львов, лошадей, коров, овец, коз, слонов, верблюдов и людей, за сотню лет до того, как слово «микробиом» оказалось у всех на слуху[51]. Они в общих чертах описали микробную экосистему человека за несколько десятилетий до 1935 года, когда слово «экосистема» вообще появилось. Они доказали, что микробы скапливаются в теле человека с момента его рождения и что в разных органах могут преобладать разные виды бактерий. Они выяснили, что в кишечнике микробов особенно много и что они могут меняться в зависимости от того, чем животное питается. В 1909 году Кендалл характеризовал кишечник как «совершенный инкубатор» для бактерий, чья деятельность «не мешает деятельности хозяина»[52]. Теоретически, когда организм хозяина ослаблен, бактерии способны стать причиной болезни, но в целом они безопасны.
А приносить пользу они умеют? Как ни странно, Пастер – человек, из-за которого микробам была объявлена война, – считал, что да. Он утверждал, что бактерии могут быть важной и даже неотъемлемой частью жизни, ведь уже тогда было известно, что коровьи желудки могут переваривать клетчатку, тем самым снабжая коров легко всасывающимися летучими жирными кислотами. Кендалл высказал предположение, что микробы в кишечнике человека защищают его от чужеродных бактерий, не давая им прижиться (а вот в том, что они и в пищеварении играют какую-то роль, он сомневался)[53]. Илья Мечников, лауреат Нобелевской премии из России, в этом плане совсем впал в крайность. Его как-то назвали «сумасбродной особой, сошедшей со страниц романа Достоевского»[54]. Натурой он действительно был крайне противоречивой – будучи абсолютным пессимистом, как минимум дважды пытавшимся покончить с собой, он написал книгу под названием «Этюды оптимизма», в которой разобрал способы продления человеческой жизни. В этой книге его противоречия нашли выход, и направлены они были на мир микробов.
С одной стороны, он утверждал, что кишечные бактерии вырабатывают токсичные вещества, которые и становятся причиной болезней и старения организма. По его словам, именно они были «главной причиной краткости нашей жизни». А с другой стороны, он был уверен, что некоторые бактерии умеют продлевать жизнь. На эту мысль его подтолкнули болгарские крестьяне – они регулярно пили «кисело мляко», или болгарский йогурт, и жили больше ста лет. Эти свойства, как говорил Мечников, связаны между собой. В сквашенном молоке были бактерии, в том числе и так называемая болгарская бацилла. Они вырабатывали молочную кислоту, убивающую вредных, сокращающих продолжительность жизни микробов в кишечниках крестьян. Мечникову эта мысль так понравилась, что он и сам стал регулярно пить «кисело мляко». Многие другие вдохновились его примером – а как же, уважаемый ведь ученый! – и тоже начали. Кстати, благодаря его утверждениям даже вошла в моду колостомия, а Олдос Хаксли написал роман «Через много лет», в котором голливудский магнат объедается кишками карпов, чтобы заменить микробов в своем кишечнике и добиться бессмертия. Нет, люди, конечно, издавна употребляли в пищу забродившие молочные продукты, но теперь они это делали ради микробов. Этот пунктик, кстати, пережил самого Мечникова, который умер от сердечной недостаточности в 71 год.
Несмотря на все усилия Кендалла, Мечникова и других ученых, возрастающее внимание науки к патогенным бактериям задавило все попытки исследования бактерий-симбионтов в организмах человека и других животных. В памятках по здравоохранению начали рекомендовать избавляться от бактерий как в собственном теле, так и вокруг него, с помощью дезинфицирующих веществ и постоянного поддержания абсолютной чистоты. Тогда же ученые открыли первые антибиотики – вещества, подавляющие как микробов, так и их окружающую среду, – и пустили их в промышленное производство. У нас наконец-то появилась возможность одержать победу над нашими крошечными врагами. И вместе с тем начался период застоя в изучении бактерий-симбионтов, который продолжался вплоть до второй половины XX века. В опубликованном в 1938 году труде, посвященном истории бактериологии, живущие в наших телах микробы не упоминаются вообще[55]. Передовая на тот момент книга уделила им всего одну главу, в которой рассказывалось, как отличить полезных микробов от вредных. На них обращали внимание лишь затем, чтобы отделить их от микробов поинтереснее. Ученые, как правило, изучали бактерий только для того, чтобы лучше разобраться в других организмах. Выяснилось, что многие аспекты биоорганической химии – например, вопросы переключения генов и накопления энергии – у всех живых существ одинаковые. Путем изучения кишечной палочки ученые пытались понять, как устроены слоны. Бактерии стали «суррогатом для универсального, редукционистского восприятия жизни», как писала историк Фанке Сангодейи. «Микробиология стала служанкой других отраслей науки»[56].
И ее путь к признанию был очень долгим. Во многом помогли новые технологии, позволяющие, например, выращивать не выносящих кислород кишечных микробов, – благодаря им ученые смогли исследовать множество важных для нас микроорганизмов, которые раньше были им недоступны[57]. Да и отношение к микробиологии начало меняться. Благодаря экологическим микробиологам Делфтской школы до ученых дошло, что нужно изучать сообщества микробов в их естественной среде – в данном случае в организмах животных, – а не засовывать их по отдельности в пробирку. Врачи, работающие не в центральных отраслях медицины, таких как стоматология и дерматология, начали изучать микробную экологию органов, с которыми работают[58]. Они «противопоставляли свой труд тому, что на тот момент считалось в микробиологии важным», писала Сангодейи. Однако они работали в одиночку. Ботаники также изучали микробов, живущих на растениях, а зоологи разбирались с микробами животных. Микробиология была разделена по интересам, усилия отдельных ученых запросто игнорировались – ведь между ними не было связи. Не существовало единого сообщества ученых, занимающихся изучением микробов-симбионтов, а значит, не было и посвященной этому отрасли науки. Кто-то должен был в лучших традициях симбиоза соединить отдельные части в нечто большее.
В 1928 году этим занялся Теодор Розбери, микробиолог, специализирующийся на бактериях полости рта. В течение более 30 лет он по кусочку собирал все статьи, посвященные человеческому микробиому, а в 1962 году сплел из этих ажурных кусочков прочное полотно – открывающую новые горизонты книгу «Микроорганизмы, обитающие на человеке»[59]. «Насколько я знаю, никто до меня не пытался создать подобную книгу, – писал он. – Похоже, здесь эта тема впервые рассматривается как отдельная отрасль науки». И он был прав. Его книга поражала своей детальностью и масштабом, она стала предвестницей книги, которую вы сейчас читаете[60]. Он в подробностях рассказал об обычных бактериях, населяющих каждую часть нашего тела. Он описал, как микробы заселяют организм новорожденного ребенка. Он высказал предположение, что они вырабатывают витамины и антибиотики, а также защищают организм от вызванных патогенами инфекций. Он заметил, что после курса антибиотиков микробиом возвращается в свое нормальное состояние, но при постоянном приеме может преобразиться окончательно. «На нормальную флору так до сих пор и не обращают внимания, – огорчался он. – Эта книга написана в том числе и для того, чтобы навести на мысль, что пора бы начать».
И у нее это получилось. Созданный Розбери сборник трудов вернул чахнувшую отрасль науки к жизни и побудил множество ученых к новым исследованиям[61]. Одним из них стал Рене Дюбо, обаятельный американец французского происхождения. К тому времени он уже заявил о себе, следуя учениям Делфтской школы об экологии. Изучая почвенных микробов, он сумел получить лекарства, которые в числе других положили начало эпохе антибиотиков. Однако Дюбо считал, что с помощью этих лекарств микробов нужно приручать, а не уничтожать. Он предпочитал не называть микробов врагами человечества и избегал воинственных метафор даже в своем позднем труде о туберкулезе и пневмонии. Он всем сердцем обожал природу, а микробы – это ее часть. «В течение всей своей жизни он был уверен, что живой организм можно понять лишь через его связи со всем остальным», – писала Сьюзен Моберг, составительница его биографии[62].
Он видел, что наши микробы-симбионты важны, и его удручало то, что никто не обращал на них внимания. «Сведения о том, что микроорганизмы могут быть человеку полезны, никогда никого особо не привлекали, ведь, как правило, люди предпочитают разбираться с тем, что непосредственно им угрожает, забывая про силы природы, от которых зависит их жизнь, – писал он. – История военных действий всегда манит сильнее, чем рассказы о сотрудничестве. Чума, холера и желтая лихорадка становятся героями романов, пьес и фильмов, но никто еще не прославился, написав повесть о пользе микробов в кишечнике или желудке»[63]. Вместе со своими коллегами Дуэйном Сэвиджем и Расселом Шедлером он попытался выяснить, какую роль в организме играют микробы. Они доказали, что после уничтожения местных видов микробов их место занимают более вредные захватчики. Изучая мышей, выращенных в стерильных инкубаторах, они выяснили, что эти грызуны меньше жили и медленнее росли, имели предрасположенность к стрессу и инфекционным заболеваниям, а их пищеварительная и иммунная системы не могли нормально развиваться. «Некоторые виды микробов играют важнейшую роль в развитии и физиологии обычных животных и людей», – писал он[64].
Однако Дюбо понимал, что это только начало. «Очевидно, что [уже известные бактерии] являются лишь небольшой частью всего местного сообщества микробов, причем не самой важной», – писал он. Все остальные – что-то около 99 % от всех наших микробов – наотрез отказывались расти в лабораторных условиях. Это «некультурное большинство» обескураживало. Несмотря на все исследования со времен Левенгука, микробиологи не знали ровным счетом ничего о существах, которых, по идее, должны изучать. Мощные микроскопы не помогали. Разные методы культивации микробов тоже не помогали. Нужен был другой подход.
В конце 1960-х молодой американец Карл Везе начал работу над проектом весьма узкой направленности. Проект заключался в сборе различных видов бактерий и анализе молекулы 16S рРНК, присутствовавшей в каждой бактерии. Ни один из его коллег не представлял, зачем это нужно, так что конкурентов у Везе не было. «В этом забеге участвовала лишь одна лошадь», как он потом говорил[65]. Забег дорого ему обходился, медленно продвигался и был довольно опасным – для него требовалось немалое количество жидких радиоактивных веществ. Вместе с тем он оказался революционным.
В те времена для установления родственных связей между видами биологи полагались исключительно на физические черты особей. Чтобы понять, кто кому приходился родичем, их сравнивали по размеру, форме и устройству организма. Везе же считал, что молекулы жизни – ДНК, РНК и белки, без которых не обходится ни одно живое существо, – помогут ему лучше справиться с этой задачей. Со временем в этих молекулах накапливаются изменения, так что у близкородственных видов они более похожи, чем у состоящих в дальнем родстве. Везе был убежден, что, сравнив нужную молекулу у достаточного количества разных видов бактерий, он прольет свет на все ветви и стволы древа жизни[66].
Он остановился на молекуле 16S рРНК, за которую отвечает одноименный ген. Она составляет часть производящего белки аппарата, имеющегося у всех живых организмов, а Везе как раз это и было нужно. К 1976 году он составил описание 16S рРНК около 30 разных видов микробов. В июне того года он занялся видом, который вскоре изменил его жизнь – а также биологию.
Вид этот ему предоставил Ральф Вулф – к тому времени уже эксперт по малоизученной группе микробов, называемых метаногенами. Для жизни этим крошкам требовались в основном лишь водород и углекислый газ, которые они превращали в метан. Обитали они в болотах, океанах и человеческом кишечнике – Methanobacterium thermoautotrophicum, что прислал Вулф, была найдена в горячих канализационных отходах. Везе, как и все остальные, решил, что это всего лишь очередная бактерия, хоть и со странными привычками. Однако, взглянув на ее 16S рРНК, он удивился – молекула оказалась какой-то небактериальной! Есть разные версии того, насколько полно он осознал свое открытие, как отреагировал на него и запросил ли повторный эксперимент. Однако одно мы знаем точно: к декабрю его научная группа провела секвенирование еще нескольких метаногенов и заметила в каждом из них те же особенности. Вулф делится воспоминаниями о словах Везе: «Эти штуки и бактериями-то не являются».
Результаты исследования Везе опубликовал в 1977 году. В своей статье он назвал метаногенов архебактериями – позже их стали называть археями[67]. По словам Везе, они были не бактериями со странностями, а представителями совершенно новой формы жизни. Утверждение было действительно шокирующим. Везе в прямом смысле вытащил этих микробов из навозной кучи и поставил на один уровень с вездесущими бактериями и могучими эукариотами! Как будто все вокруг разглядывали карту мира, а Везе, не говоря ни слова, разложил перед ними еще треть карты, прежде скрытую.
Разумеется, без шумной критики не обошлось, причем даже от других ученых-бунтарей. Журнал Science позже окрестил его «покрытым шрамами эволюционером микробиологии», и шрамы эти остались у него до конца жизни, завершившейся в 2012 году[68]. Сегодня его наследие не вызывает сомнений. Он оказался прав: археи действительно не являются бактериями. И что еще более важно, разработанный им подход – сравнение генов для выяснения степени родства между видами – в современной биологии является одним из главных[69]. Его методы позволили другим ученым – например, его давнему другу Норману Пейсу – начать исследовать мир микробов по-настоящему.
В 1980-х годах Пейс принялся изучать рРНК архей, населяющих места с чрезвычайно высокой температурой. Особенно ему понравилась Октопус Спрингс, глубокая котловина с голубой водой, температура которой достигала аж 91 градуса по Цельсию. В этом источнике было очень много неизвестных микробов, предпочитающих погорячее, – настолько много, что их скопления образовывали видимые розовые волокна. Пейс вспоминает, как прочел об этом источнике и кинулся в лабораторию с криком: «Эй, ребята, вы только взгляните! Их же там килограммы! Хватайте ведро и поехали за ними». Один из коллег возразил: «Ты ведь даже не знаешь, что это за организм».
И Пейс ответил: «Ничего. Просеквенируем и узнаем».
Он мог бы вполне прокричать: «Эврика!» До Пейса дошло: благодаря методам Везе больше не нужно было выращивать микробов, чтобы их изучать! Да чего уж там, даже видеть их было необязательно. Можно было просто вытащить из среды ДНК и РНК и секвенировать их. Так Пейс мог узнать, что там обитает и где оно находится на микробиологическом древе жизни, – биогеография и эволюционная биология в одной пробирке. «Так мы и отправились с ведерком в Йеллоустон», – рассказывает он. В водах этого «спокойного, прекрасного и смертельного» места команда Пейса нашла два вида бактерий и один вид архей, неизвестных до этого науке. Результаты исследования увидели свет в 1984 году[70] – впервые ученым удалось открыть новый организм только по его генам. И тот первый раз был не последним.
В 1991 году Пейс и его ученик Эд Делонг исследовали образцы выуженного в Тихом океане планктона. Сообщество микробов, которое они там нашли, оказалось еще более разнообразным, чем в Йеллоустоне: 15 новых видов бактерий, два из которых явно отличались от всех известных тогда групп. На скудном древе жизни бактерий потихоньку вырастали новые листья, ветви и даже стволы. В 1980-х годах все известные науке бактерии входили в дюжину основных таксономических групп. К 1998 году их уже стало около 40. Пейс во время нашего разговора сказал, что сейчас их примерно сотня, причем около 80 из них так и не культивировали. Спустя месяц Джилл Бэнфилд известила мир об открытии 35 новых таксономических групп – и это лишь в одном месторождении подземных вод в Колорадо[71].
Теперь микробиологи, освобожденные от необходимости выращивать микробов и разглядывать их в микроскоп, имели возможность провести более полную перепись микробного населения планеты. «Наша цель в этом всегда и заключалась, – утверждает Пейс. – Микробная экология, казалось, отжила свой век. Кто-то заглянул под камень, нашел там бактерию и решил, что у остальных все так же. Это же глупо! Мы с первых дней исследований распахнули ворота в настоящий микробный мир. Пусть в моем некрологе так и напишут. Это прекрасное ощущение, таким оно и останется».
Одной лишь 16S рРНК они не ограничивались. Пейс, Делонг и другие скоро научились секвенировать каждый микробный ген в горстке земли или ковшике с водой[72]. Нужно было извлечь ДНК из всех находящихся там микробов, покромсать ее на небольшие фрагменты и сразу все секвенировать. «Да мы, черт возьми, могли так любой ген достать!» – хвастается Пейс. С помощью 16S рРНК они могли узнать, кто там был, но еще у них была возможность выяснить, на что местные виды бактерий были способны. Для этого нужно было поискать гены, отвечающие за синтез витаминов, переваривание клетчатки или невосприимчивость к антибиотикам.
Раз уж эта технология должна была стать для микробиологии революционной, нужно было придумать для нее название поинтереснее. Его придумала Джо Хэндельсман в 1998 году – метагеномика, то есть геномика сообществ[73]. Она как-то сказала, что «появление метагеномики, пожалуй, стало самым важным событием в микробиологии со времен изобретения микроскопа». Наконец-то появился ключ к пониманию того, каких масштабов достигла на Земле жизнь. Хэндельсман и другие начали изучать микробов, обитающих в почве Аляски, на полях Висконсина, в кислотных отходах шахт в Калифорнии, в водах Саргассова моря, в телах глубоководных червей и пищеварительных трактах насекомых. Разумеется, некоторые микробиологи, как и Левенгук в свое время, решили работать в одиночку.
Как и многие другие ученые, в конце концов пересмотревшие свое отношение к микробам, Дэвид Релман изначально собирался их уничтожать и даже стал для этого практикующим врачом, специализирующимся на инфекционных заболеваниях. В конце 1980-х годов он воспользовался методикой Пейса, чтобы выяснить, что за микробы становились причиной загадочных болезней у людей. Поначалу вся его работа казалась тщетной, ведь в каждом образце тканей, где мог потенциально находиться новый патоген, было полно микробов, составляющих нормальную микрофлору. Они лишь сбивали Релмана с толку, пока он не решил, что эти микробы сами по себе могут представлять для него интерес. Почему бы не заняться описанием этих микробов вместо поисков болезнетворного меньшинства?
Для начала Релман отправился к стоматологу и попросил его соскоблить немного налета с десны, а затем поместить образец в стерильную пробирку – так у микробиологов появилась традиция секвенировать собственный микробиом. Этот образец он отнес в свою лабораторию и расшифровал содержащуюся в нем ДНК, зная, что это вряд ли к чему-то приведет. Рот на предмет микробов к тому времени исследовали вдоль и поперек. Микробов полости рта разглядывал Левенгук и изучал Розбери. Микробиологам удалось вырастить почти 500 штаммов бактерий из различных уголков рта. Если и была часть тела, на которой было открыто все, что можно, то только рот. Тем не менее Релман выявил целый ряд новых бактерий на своих деснах – намного больше, чем он смог бы вырастить из тех же образцов[74]. Даже в самой тщательно исследованной среде в теле человека новые виды в огромном количестве сидели и ждали, пока их кто-нибудь откроет. В 2005 году Релман обнаружил то же самое в кишечнике. Он взял пробы с различных участков кишечника у трех добровольцев и обнаружил почти 400 видов бактерий и один вид архей, причем 80 % из них прежде не были известны науке[75]. Другими словами, догадки Дюбо оказались верны – все исследования человеческой микрофлоры в его время были только началом.
В начале 2000-х прогресс начал набирать обороты – исследователи провели секвенирование генов в образцах со всего тела человека. Джефф Гордон, микробиолог-новатор, с которым мы познакомимся позже, доказал, что микробы отвечают за накопление жира и создание новых кровеносных сосудов, а также что у людей, страдающих ожирением, микробы в кишечнике не такие, как у стройных[76]. Да и сам Релман назвал микрофлору «крайне важным органом». Эти первопроходцы привлекли как соратников из всех остальных областей биологии, так и внимание газет и журналов, а еще финансирование для крупных международных проектов, исчисляющееся миллионами долларов[77]. На протяжении столетий микробиом человека таился на задворках биологии, а отстаивать его необходимость пытались лишь бунтари и мятежники. Теперь же он стал частью истеблишмента. История микробиома – это рассказ о том, как представления о науке и организме перемещаются с периферии в центр внимания.
У входа в Королевский зоопарк «Артис» в Амстердаме стоит двухэтажное здание, на стене которого изображена огромная шагающая фигура человека. Человек этот составлен из маленьких пушистых шариков – оранжевых, бежевых, желтых и голубых – и символизирует микробиом человека. Он словно машет прохожим, приглашая их в «Микропию» – первый музей в мире, полностью посвященный микробам[78].
Этот музей открылся в сентябре 2014 года после двадцати лет разработок. Его стоимость – 10 миллионов евро. Логично, что его открыли именно в Нидерландах: всего в 65 километрах от этого места стоит город Делфт, где Левенгук впервые представил миру невидимое царство бактерий. Первое, что я вижу, проходя через турникет в «Микропии», – точная копия одного из его прекрасных микроскопов. Этот скромный и незамысловатый микроскоп помещен в стеклянную банку, а вокруг него разложены образцы того, что в свое время, должно быть, рассматривал Левенгук, – в том числе перцовые настойки, ряска из пруда неподалеку и зубной налет.
Оттуда я вместе с приятелем и небольшой семьей захожу в лифт. Поднимая взгляд вверх, мы видим на потолке экран с видеотрансляцией, а на нем – себя. Лифт поднимается, и видео постепенно увеличивает наши лица, все сильнее и сильнее, вот уже видны ресничные клещи, клетки кожи, бактерии и, наконец, вирусы. На втором этаже двери лифта открываются, и мы видим знак, состоящий из мелких огоньков, мерцающих, словно живые. «Если приглядитесь как следует, вам откроется новый мир – куда более прекрасный и удивительный, чем вы можете себе представить, – написано на знаке. – Добро пожаловать в «Микропию».
Мы тут же получаем возможность взглянуть на этот новый мир своими глазами через ряд микроскопов, наведенных на личинки комаров, водяных блох, круглых червей, слизевиков и прудовых бактерий. Бактерии увеличены в 200 раз, и я с удивлением размышляю: ведь самодельный микроскоп Левенгука на первом этаже мог так же! Сам Левенгук, наверное, тоже видел эти чудеса, хоть и без особых удобств. Ему приходилось щуриться в крошечную линзу, а я могу просто прижаться глазом к специальному окуляру с подушечкой для комфорта и смотреть на четкий цифровой дисплей.
За микроскопами находится экран, демонстрирующий биогеографию человеческого микробиома в натуральную величину. Посетители встают перед камерой, та сканирует их туловище и выдает изображение всех микробов на нем – получается этакий микробный аватар. Его кожа подсвечена белыми точками, внутренние органы обозначены яркими цветами. Аватар повторяет движения посетителя: машет рукой, пританцовывает вместе с ним. Двигая руками, посетитель указывает на разные органы и открывает данные о микробах на коже, в желудке, кишечнике, в волосах, во рту, в носу и много где еще. Там можно узнать, кто где живет и чем занимается. В этой инсталляции представлены десятки лет исследований и открытий – от Кендалла до Розбери, от Розбери до Релмана. Собственно говоря, весь музей – это дань уважения истории. Тут можно найти ряд лишайников – это симбиотические ассоциации грибов и зеленых водорослей, благодаря которым ученые в XIX веке впервые осознали важность симбиоза. Тут можно полюбоваться на молочнокислых бактерий, столь обожаемых Мечниковым, – это увеличенные в 630 раз крошечные сферы, которые весьма изящно шевелятся.
Я поражен тем, насколько беззастенчиво и правдиво до зрителей доносится вся эта информация и как быстро и легко они признают существование мира микробов. Никто не шарахается, не хмурится, не морщит нос. На красной платформе в форме сердца парочка целуется перед устройством под названием Kiss-o-Meter («Поцелуеметр»), которое подсчитывает, сколькими бактериями эти двое обменялись. Девушка с интересом разглядывает образцы фекалий горилл и капибар, рыжих панд и валлаби, львов и муравьедов, слонов и ленивцев, хохлатых павианов и многих других – их собрали в зоопарке по соседству, запечатали в герметичные банки и накрыли оргстеклом. Группа подростков не сводит глаз с чашек Петри с подсветкой, где в агаровой среде растут плесневые грибы и бактерии, некоторые из которых были собраны на предметах повседневного пользования. Если приглядеться, можно различить отпечатки ключей, мобильных телефонов, компьютерных мышек, пультов от телевизора, зубных щеток, дверных ручек и даже прямоугольный контур банкноты. Подростки удивленно глазеют на оранжевые точки клебсиеллы, голубые коврики энтерококка и серые кляксы стафилококка, напоминающие штрихи карандашом.
Семья, с которой я ехал в лифте, любуется красивым изображением древа жизни Карла Везе, которое занимает всю стену. Здесь животные и растения сместились в небольшой кружок в углу, а на стволе и ветвях вовсю доминируют бактерии и археи. Отец семейства, скорее всего, родился еще до того, как о существовании архей вообще стало известно, а сегодня его дети узнают о них, находясь в одной из главных достопримечательностей Амстердама.
В «Микропии» представлены три с половиной века, во время которых мы узнавали о микробах все больше, а отношение к ним постоянно менялось. Здесь они не какие-нибудь второстепенные персонажи и не жестокие злодеи. Здесь они захватывающие, прекрасные, стоящие нашего внимания. Здесь они – настоящие звезды. Джордж Элиот в романе «Миддлмарч» писала: «Большинству из нас великие первооткрыватели становятся известны лишь тогда, когда они, засияв новыми звездами, уже правят нашими судьбами». Она могла бы так сказать не только об ученых, открывших для нас мир микробов, но и о самих микробах.