Первоначально, 4,5 миллиарда лет назад, наша планета была безжизненной сферой из расплавленного металла. Но через миллиард лет океаны уже кишели свободно живущими клетками. Каким-то образом, еще не совсем ясным для науки, в этих первобытных морях зародилась жизнь. Одни говорят, что первые «кирпичики» жизни прилетели пылью из открытого космоса – это так называемая гипотеза панспермии. Другие считают, что самовоспроизводящиеся молекулы возникли в залежах глины на дне океана, в горячих гидротермальных источниках, или в пенных пузырях, появлявшихся, когда волны разбивались о скалы. У нас по-прежнему нет точного объяснения, как же все началось.
И все же мы более-менее понимаем, как благодаря простым правилам появилась богатая и разнообразная жизнь нашей планеты и продолжают появляться сложные организмы. Вся биология основывается на незыблемых принципах эволюции, конкуренции и сотрудничества, возникших в первобытных океанах.
Мы живем на микробной планете, где полностью доминируют формы жизни, не видные невооруженному глазу. Около 3 миллиардов лет бактерии были единственными живыми обитателями Земли. Они жили повсюду – на земле, в воде и воздухе, запуская химические реакции, создавая биосферу и условия для эволюции многоклеточной жизни. Они же создали кислород, которым мы дышим, почвы, которые возделываем, пищевые сети для наших океанов. Медленно, неумолимо, с помощью проб и ошибок в бездне времени они построили сложные и прочные системы обратной связи, и по сей день поддерживающие всю жизнь на Земле.
Человеку очень трудно представить себе эту бездну времени, миллиарды лет деятельности микробов, которые превращали неорганическую материю в живую. Эта идея произошла из геологии – из нашего понимания, как континенты формировались, дрейфовали, расходились, врезались друг в друга, создавая горные цепи, которые затем подвергались миллионам лет эрозии ветром и дождем. Тем не менее бактерии жили на Земле задолго до появления гигантских суперконтинентов Лавразии и Гондваны, образовавшихся полмиллиарда лет назад; именно они – родоначальники нынешних континентов.
Джон Макфи в одной из своих классических книг привел замечательную аналогию с местом человечества в этой огромной хронологии: «Давайте представим, что вся история человечества – это один старый английский ярд, равнявшийся расстоянию от носа короля до кончика его вытянутой руки. Стоит один единственный раз провести по ногтю среднего пальца пилочкой, и вы сотрете всю человеческую историю» [1, см. с. 25].
Или вот другое. Если 3,7 миллиарда лет жизни на Земле представить в виде 24-часовых суток, то наши предки-гоминиды появились бы за 47–96 секунд до полуночи. Наш собственный вид, Homo sapiens, – за 2 секунды до полуночи.
Но есть еще кое-какие потрясающие данные, которые по-настоящему позволяют оценить, насколько огромен мир микробов. Они не видны невооруженным глазом, за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило [2, см. с. 25]. Миллионы могут одновременно пройти через ушко одной иголки. Но если собрать всех вместе, их будет не только больше, чем всех мышей, китов, людей, птиц, насекомых, червей и деревьев, вообще всех видимых форм жизни на Земле, вместе взятых: они окажутся еще и тяжелее. Задумайтесь об этом. Невидимые микробы составляют большую часть биомассы Земли: млекопитающие, пресмыкающиеся, морская живность и т. д.
Без микробов мы не могли бы есть и дышать, а вот без нас почти все они жили бы отлично.
Термин «микроб» относится к нескольким типам организмов. В этой книге говорится в основном о домене бактерий, также называемых «прокариотами», – об одноклеточных безъядерных организмах. Но это вовсе не означает, что они примитивны. Бактериальные клетки – полностью самодостаточные существа: они могут дышать, двигаться, есть, избавляться от выделений, защищаться от врагов и, что важнее всего, размножаться. Они бывают самых разных форм и размеров. Есть похожие на мяч, морковь, бумеранг, запятую, змею, кирпич, даже треножник. Все великолепно адаптированы к жизни в этом мире, в том числе и те, кто живет в телах и на них.
Когда они нас покидают, начинаются большие проблемы.
Еще один микробный домен, археи, с первого взгляда напоминает бактерии, но, как говорит само название, это очень старая, глубокая ветвь древа жизни с иной генетикой, биохимией и независимой эволюционной историей. Их обнаружили в экстремальных средах, в частности горячих источниках и соленых озерах, но на самом деле археи можно найти во многих нишах, в том числе в человеческом кишечнике и пупке.
Третья ветвь микробной жизни – эукариоты, одноклеточные организмы с ядром и другими органеллами, которые являются «кирпичиками» для строительства более сложных, многоклеточных форм жизни. За последние 600 миллионов лет от эукариот произошли насекомые, рыбы, растения, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие – вся «большая» жизнь, от муравьев до секвойи. Впрочем, некоторые примитивные относят к микробам, в том числе грибы, водоросли, некоторые амебы и слизистую плесень.
Вот еще один пример, который поможет оценить масштабы. Все знают, что такое семейное древо. Вы расставляете на нем своих предков – родителей, бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек и т. д., причем их количество растет с каждым поколением. Теперь представьте семейное древо всей жизни на Земле – тут столько разных форм жизни, что оно больше похоже на куст с ветками, торчащими во все стороны. Представьте на секунду, что это круглый куст, в котором первое поколение – самый первый живой организм – находится в центре, а ветки торчат наружу. Затем поместим куда-нибудь нас, людей, допустим, на восемь часов, если смотреть по циферблату.
Теперь вопрос. Где находится форма жизни, которую мы называем «кукуруза» и которая растет на наших полях? Вы, наверное, посчитаете, что она вряд ли находится слишком близко к нам, в конце концов это же зеленое растение. Наверное, где-то на противоположной стороне куста. А вот и нет, кукуруза находится примерно в точке 8:01. Если люди и кукуруза настолько близкие, как оказалось, родственники, кто же занимает остальные ветки? Ответ: по большей части бактерии. Например, расстояние между Е. coli и Clostridium – двумя часто встречающимися – намного больше, чем между нами и кукурузой [3, см. с. 25]. Человечество – всего лишь песчинка в мире, населенном микроорганизмами. Нужно привыкать к этой идее.
А еще есть и вирусы, которые, строго говоря, неживые; они распространяются, вторгаясь в живые клетки и пользуясь их ресурсами. Вспомним грипп, простуду, герпес и ВИЧ, которые считаются проблемой человечества. Но большинство в этом мире вообще нами не интересуются: они заражают клетки бактериальные, а не животные типа наших. Их количество в океанских водах не поддается никакому исчислению: больше, чем звезд во Вселенной. За миллиарды лет сражений между вирусами и микробами и те и другие разработали оружие для убийства друг друга. На самом деле один из возможных способов лечения бактериальных инфекций – использование фагов, вирусов, убивающих бактерии. Эту идею я затрону ближе к концу книги.
В нашем мире обитает (и формирует его) множество разных микробов, но сосредоточимся в основном на бактериях и на том, что происходит, когда мы без разбора убиваем их мощными лекарствами. Есть, конечно, немало эукариот (например, Plasmodium falciparum, один из главных возбудителей малярии), вызывающих сильнейшие страдания, но проблемы, которые они доставляют, другого рода. Вирусов, которые приносят большой вред, тоже хватает – вспомните хотя бы ВИЧ, они не лечатся антибиотиками. Но это отдельная тема и отдельная книга.
Микробы живут везде, куда ни посмотри. В океане их столько, что и представить невозможно, хотя некоторые оценки дают определенное понимание. Не менее 20 миллионов (а возможно, и миллиарда) типов микробов составляют 50–90 % океанской биомассы. Количество таких клеток в столбе воды (от поверхности моря до дна) превышает 1030, или нониллион (тысячу миллиардов миллиардов миллиардов). Весят они столько же, сколько 240 миллиардов африканских слонов [4, см. с. 25].
Международная перепись океанских микроорганизмов, проект длиною в десять лет, собравший образцы морских микробов из 1200 разных мест, утверждает, что различных родов микроорганизмов на самом деле в сто раз больше, чем считалось ранее. В каждом изученном месте некоторые обязательно доминировали и количественно, и по активности. Но, к удивлению, обнаружилось немало таких, кто представлен популяциями менее десяти тысяч особей (для бактерий это мизерное число), в том числе одиночными экземплярами. Ученые сделали вывод, что многие редкие бактерии вошли в режим ожидания, готовясь к расцвету и доминированию, как только условия окружающей среды окажутся подходящими. То же верно и для микробов, обитающих в наших телах. Способность «прятаться» немногочисленными колониями в течение длительных периодов, а затем спонтанно «расцветать» – это важный аспект их жизни.
Многие морские микробы – так называемые экстремофилы. Они живут в гидротермальных источниках, где кипящая вода, богатая серой, метаном и водородом, поднимается из мантии и встречается с ледяной водой, формируя конусообразные расщелины. Это адская смесь кислот и тяжелых химикатов, но даже в таких условиях, без кислорода и солнечного света, процветают богатые сообщества. То же самое видим в горячих прудах и гейзерах Йеллоустонского национального парка в Вайоминге и в пузырящемся битумном озере на острове Тринидад в Карибском море. Бактерии живут и в огромных ледниках Антарктики, и в ледяных глубинах Северного Ледовитого океана.
Океанское дно, состоящее из темных вулканических пород и составляющее 60 % земной поверхности, служит домом, пожалуй, самой большой популяции микроорганизмов на планете. Они живут за счет энергии, получаемой от реакции горных пород с водой.
Недавно были обнаружены бактерии, которые едят частицы пластика, плавающие в Мировом океане. Это медленный процесс, и все же не менее тысячи различных видов участвуют в превращении «пластисферы» в более здоровую биосферу. Мы не делали ничего, чтобы стимулировать их, разве что кидали пластиковый мусор в океан. Некоторые добрались до него, и тем, кому такая еда пришлась по вкусу, стали быстрее размножаться – вот вам естественный (пластиковый) отбор в действии [5, см. с. 25].
В самом глубоком месте на Земле, в Марианской впадине, недавно обнаружили активное сообщество микроорганизмов, причем там в десять раз больше бактерий, чем в осадочных породах окружающей впадину абиссальной равнины. Гигантские «ковры» размером с Грецию живут на дне океана у западного побережья Южной Америки, питаясь сероводородом.
Ветры, в том числе ураганные, поднимают немало микроорганизмов в воздух; некоторые выживают и даже остаются там. Вокруг формируются частички льда, снежинки, и возникают перистые облака. Они оказывают влияние на погоду и климат, перерабатывают питательные вещества и разлагают загрязняющие.
На поверхности Земли микробы заведуют почвой – одним из самых драгоценных ресурсов. Запущены проекты по сбору почвенных бактерий в разных уголках мира, некоторые эксперты называют это «поисками темной материи Земли» по аналогии с изучением природы неизведанных просторов космоса.
Живут они и в горных породах. Например, на золотом прииске Мпоненг в ЮАР выживают благодаря радиоактивному распаду: уран разделяет молекулы воды, а получившийся свободный водород объединяют с сульфат-ионами, получая пищу. Больше того, они едят даже золото. Delftia acidovorans с помощью особого белка превращает ионы золота, ядовитые для нее, в инертную форму, которая осаждается из окружающей воды и формирует минеральные залежи. Самая же живучая бактерия в мире, Deinococcus radiodurans, живет в радиоактивных отходах.
Но мой любимый пример описали несколько лет назад. Геологи бурили исследовательскую скважину и изучали извлеченные оттуда керны. Один, который достали с глубины в милю, состоял всего из трех компонентов: базальта (коренной породы), воды и бактерий – множества бактерий [6, см. с. 26]. Они жили и размножались на диете из камней и воды.
Мы знаем, что наша планета обитаема благодаря микроорганизмам. Они разлагают мертвую материю – это очень ценная услуга. Кроме того, превращают инертный азот из атмосферы в свободный, которым могут пользоваться живые клетки. И тем самым приносят пользу растениям и животным. После утечки нефти в скважине Deep Water Horizon в Мексиканском заливе бактерии съели большую часть загрязняющих веществ, потому что сумели приправить питательные вещества в нефти азотом из воздуха, устроив себе комплексный обед.
Наконец, целые отрасли промышленности основаны на их работе: изготовление хлеба, который мы едим, алкогольных напитков, которые пьем, современных лекарств, разработанных биотехнологической отраслью. Вполне можно утверждать, что микроорганизмы способны провести любой необходимый нам химический процесс. В огромном разнообразии кроются неслыханные возможности. Нужно лишь четко определить проблему и найти бактерии, которые могут ее решить, или изменить их с помощью генной инженерии.
История микроорганизмов – это сага о бесконечных войнах и сотрудничестве. Поскольку многие знакомы с дарвиновскими идеями о конкуренции и выживании наиболее приспособленных видов, начнем именно оттуда.
Тщательные наблюдения Дарвина показали, что индивидуальные представители вида всегда отличаются, в качестве примера возьмем птиц или людей. Ученый разработал теорию эволюции, выдвинув постулат, что при существовании различных вариантов природа «отберет» тот (или тех), кто наиболее адаптирован («приспособлен»), кто лучше всего использовал свой цикл жизни и оставил потомство. Именно они побеждают в конкуренции с другими видами и со временем начнут количественно превосходить их. Возможно, даже вызовут вымирание последних. Естественный отбор – причина часто упоминаемого «выживания наиболее приспособленных». Но Дарвин не знал, что тот же принцип можно отнести к микробам. Как и мы, он сосредоточился в первую очередь на том, что видел своими глазами, – растениях и животных. Но на деле едва ли не лучшие доказательства естественного отбора удалось получить с помощью наблюдений и экспериментов именно над микроорганизмами.
Например, я могу вырастить культуру распространенной кишечной бактерии Е. coli [7, см. с. 26], поместив немного существующих клеток в чашку с питательным веществом. За ночь в теплом инкубаторе она может дать до 10 миллиардов новых клеток. Вся чашка будет покрыта настолько плотным ковром, что отдельные колонии различить невозможно. А теперь предположим, что я сделал такой же посев в другую чашку, но добавил стрептомицин – антибиотик, убивающий большинство штаммов Е. coli. На следующее утро я увижу всего десяток изолированных колоний размером с миниатюрный прыщик, в каждой из которых будет от силы миллион клеток. Каждое скопление происходит от одной-единственной, которая пережила контакт с антибиотиком, а затем размножилась. Как объяснить разницу в результатах между посевом со стрептомицином и без него?
Во-первых, мы видим, что антибиотик сработал. Вместо 10 миллиардов клеток всего 10 миллионов, то есть в тысячу раз меньше. Можно сказать, что антибиотик убил 99,9 % клеток, позволив выжить лишь малому количеству. Но все же лекарство сработало не полностью. Некоторым удалось выжить. Так почему же одни клетки уцелели, а другие – нет? Просто повезло? И да и нет.
Везение состоит в том, что клетки, резистентные к стрептомицину, имеют вариант гена, необходимого всем Е. coli для выработки белков, без которых они не смогут существовать. Он не очень эффективен, но его хватает, чтобы помочь резистентным штаммам выжить и произвести потомство. Остальные же умирают, потому что антибиотик вмешивается в действие обычной версии того же белка.
Генетические варианты, обеспечивающие это свойство, появляются интересным образом. Вполне возможно, что у некоторых клеток (в данном примере – десяти) из исходной культуры в миллиард был подобный вариант гена. Эти клетки существовали изначально. Описывая эксперимент в дарвиновских терминах, можно сказать, что стрептомицин «отбирает» в популяции варианты с резистентной формой гена, а вот отсутствие антибиотика в окружающей среде «отбирает» более эффективную, но уязвимую к нему обычную форму. Количество Е. coli с данным свойством зависит от того, как часто и как давно они контактировали со стрептомицином. Это простой пример естественного отбора, но конкуренция вечна. Пусть победит сильнейший микроб.
Одни конкурируют с другими, охотятся на них и даже эксплуатируют, но есть и бесчисленные примеры сотрудничества и синергии. Например, если кишечная бактерия Bacteroides может очистить химическое вещество в окружающей среде, мешающее развитию Е. coli, то это выгодно второй. Одностороннее полезное отношение такого рода называется комменсализмом.
Еще более сильным бывает взаимодействие, если оно выгодно обеим сторонам. Представьте, что выделения Е. coli служат хорошим источником пищи для Bacteroides. В таком случае два этих вида будут собираться в одной среде. Оба всего лишь следуют собственной программе, но при этом помогают друг другу. Это симбиоз.
В иных условиях создают симбиоз другие бактерии. Например, в быстром ручье бактерия А поедает выделения бактерии Б, а также прилипает к острым краям камней. Бактерия В прилипать не умеет, но может прицепляться к бактерии А. Бактерия Б производит вещество, питательное для В. Вот вам и ситуация, где бактерии А, Б и В будут встречаться вместе, причем к выгоде для всех трех.
За более чем 4 миллиарда лет эволюции бактерий, учитывая, что некоторые делятся каждые двенадцать минут, а также их астрономическое количество, вариантов было практически бесконечное множество. Благодаря этому постоянному процессу появились отдельные бактерии, населившие все доступные ниши на Земле.
Иногда они стабильно живут вместе, формируя консорциум. Подобные кооперативные группы в изобилии встречаются в окружающей среде – в почве, ручьях, гниющих бревнах, горячих источниках – практически везде, где есть жизнь. Самое древнее однозначное доказательство существования жизни – это окаменевшие цианобактериальные маты возрастом 3,5 миллиарда лет, найденные в Австралии. Консорциумы, состоявшие из огромных лежащих друг на друге листов, – полноценные миниатюрные экосистемы. Скорее всего, одни занимались фотосинтезом, другие дышали кислородом, третьи осуществляли ферментацию, четвертые ели необычные неорганические соединения. То, что для одного вида – еда, для другого – яд. Собравшись в слои и объединив усилия, они смогли обеспечить выживание для всех.
Существуют микроорганизмы, которые умеют создавать вокруг себя слои вещества, похожего на желатин. Этот плотный гель называется биопленкой. Состав бывает разным, но он защищает бактерию от высыхания, избыточной жары, нападения иммунной системы. Его существование объясняет присутствие бактерий в самых жестоких условиях.
Микробы образуют консорциумы и огромные сети сотрудничества не только в почве, океане или каменистых поверхностях, но и в животных. В человеческом теле это главные персонажи моей истории про «пропавших микробов». Великий биолог Стивен Джей Гоулд дал нам точку отсчета для всей земной биологии, написав:
Мы живем в эпоху бактерий (как было вначале, как есть сейчас и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец…) [8, см. с. 26]
Вот контекст человеческой жизни – и передний, и задний ее план.
1. «…и вы сотрете всю человеческую историю» (см. с. 18): J. McPhee, Basin and Range, book 1 in Annals of the Former World (New York: Farrar, Straus & Giroux, 1998).
2. «…за несколькими исключениями, лишь подтверждающими правило»(см. с. 18): Н. N. Schulz et al., "Dense populations of a giant sulfur bacterium in Namibian shelf sediments," Science 284 (1999): 493-95. Но такие большие микробы – аномалия в мире, где доминируют микроскопические формы.
3. «…между нами и кукурузой» (см. с. 19): N. Расе, "A molecular view of microbial diversity and the biosphere," Science 276 (1997): 734- 40. Карл Вёзе, Норман Пэйс и другие считают, что бактерии – первая форма жизни, зародившаяся на Земле.
4. «…240 миллиардов африканских слонов» (см. с. 20): W. В. Whitman et al., "Prokaryotes: The unseen majority," Proceedings of the National Academy of Sciences 95 (1998): 6578-83; J. S. Lipp et al., "Signifi cant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface sediments," Nature 454 (2008): 991-94; M. L. Sogin et al., "Microbial diversity in the deep sea and the underexplored ’rare biosphere,’ " Proceedings of the National Academy of Sciences 103(2006): 12115-20.
5. «…отбор в действии» (см. с. 21): Бактерии, поедающие пластик. T. Suyama et al., "Phylogenetic affiliation of soil bacteria that degrade aliphatic polyesters available commercially as biodegradable plastics," Applied and Environmental Microbiology 64 (1998): 5008-11; E. R. Zettler et al., "Life in the ’plastisphere’: microbial communities on plastic marine debris," Environmental Science and Technology 47 (2013): 7137-46.
6. «…воды и бактерий – множества бактерий» (см. с. 22): Т. О. Stevens and J. P. McKinley, "Lithoautotrophic microbial ecosystems in deep basalt aquifers," Science 270 (1995): 450-54.
7. «…распространенной кишечной бактерии E.coli» (см. с. 23): Формальное название E.coli – Escherichia coli, в честь Теодора Эшериха, немецкого врача, открывшего ее в 1885 году в фекалиях здоровых людей и назвавшего Bacterium coli commune. В начале XX века ее переименовали в Escherichia coli. Хотя это самая известная бактерия в человеческом желудочно-кишечном тракте, на самом деле она обычно составляет не больше тысячной доли всех присутствующих в кишечнике бактерий. Поскольку E. coli очень легко вырастить в культуре, она стала модельным организмом для изучения биологии, биохимии и генетики клеточной жизни. У многих из пяти тысяч генов E. coli есть аналоги в человеческом теле.
8. «…и как должно быть всегда, пока миру не настанет конец» (см. с. 25): В 1993 году С. Дж. Гоулд написал рецензию в Nature на новую тогда книгу Э. О. Уилсона «Разнообразие жизни», где сказал, что Уилсон уже знает, что не существует какой-либо отдельной эпохи пресмыкающихся и млекопитающих; все они – лишь части вечной эпохи бактерий, и он об этом говорит (S. J. Gould, "Prophet for the Earth: Review of E. O. Wilson’s ’The diversity of life’," Nature 361 [1993]: 311-12.).