Микроб редко приходит один. Как микроорганизмы влияют на нашу жизнь: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Конечно, сложно поверить, что микроорганизмам тоже доступно такое фантастическое культурное достижение, как коммуникация. Тупые, как пробка, и могут только размножаться — столь нелестный образ намертво прилип к этим пасынкам нашей экосистемы. Поэтому когда биохимик Джон Вудланд «Вуди» Хастингс из Гарвардского университета в Кембридже впервые выдвинул предположение, что микробы незаметно общаются, к нему отнеслись скептически.

Но со временем гипотезу Хастингса признали. Потрясающая способность микробов договариваться о встрече и организовываться в большие группы получила в микробиологии громоздкое название quorum sensing («чувство кворума»). Это означает, что одноклеточные организмы могут воспринимать, сколько их сородичей находятся поблизости. И использовать это знание с пользой.

Очевидно, что самые маленькие формы жизни на нашей планете разработали удивительно сложную коммуникационную систему, выполняющую многообразные функции. Только за последние годы исследователи выявили около двадцати различных сигнальных молекул, которые позволяют микробам посылать разные сообщения. И эта расшифрованная часть, вероятно, — лишь небольшая часть их форм взаимодействия.

Имеющиеся данные указывают на то, что одноклеточные вынуждены разбираться с настоящим вавилонским смешением языков. Не каждая бактерия может понять любое переданное сообщение. Как именно бактерии отфильтровывают интересные для них молекулы из множества сообщений, является предметом крайне волнительного актуального исследования и во многом еще непонятно.

Вуди Хастингс уже в 1970-е годы начал на примере сепиолидов (моллюсков) Euprymna scolopes изучать, насколько выгодно «чувство кворума» для микроорганизмов: этот подводный житель обитает у побережья Гавайев; в ясные лунные ночи он хорошо виден своим врагам как темное пятно. Поэтому кальмар Euprymna scolopes в ходе эволюции приобрел орган свечения, который «включает» под водой, и свет размывает его контуры.

Но сам кальмар светиться не умеет. Для этого у него есть помощник: микроб Aliivibrio fischeri.

Сразу после того, как кальмар выползает из яйца, он начинает вбирать в себя из морской воды важные бактерии. Эти микроорганизмы сразу транспортируются в орган освещения, где привольно размножаются, пока не достигнут количества, достаточного для освещения, а это целых 10 миллиардов! Когда это пороговое значение достигнуто — залпом пли! — вся веселая компашка начинает светиться. Один-единственный микроб был бы слабой коптилкой, расходующей энергию попусту. Десять же миллиардов сияют, как зенитные прожекторы.

Микробы действуют вовсе не бескорыстно. За свою службу они получают от хозяина безопасное укрытие, а также сахар и другие питательные вещества.

Больше всего микробиологов в связи с любопытной кооперацией между кальмаром и бактерией занимает следующий вопрос: как одноклеточные организмы распознают 10 миллиардов сородичей, как им это удается?

По какой-то причине крошечные существа знают, что вместе они — сила, и поэтому они очень общительные. Хотя они и состоят всего-то из жировой оболочки, заполненной белками и ДНК. Но у бактерий есть еще и рецепторы для восприятия некоторых внешних раздражителей, например сахарных молекул кальмара. Кроме того, они обладают способностью выделять молекулы с информацией.

Чтобы обратить на себя внимание, бактерии старательно выделяют молекулы и таким образом кричат: «Привет, это я, здесь есть еще кто-нибудь?» Если этот зов достаточно громкий, то есть сигнальных веществ достаточно, он привлекает большое количество микробов. И только тогда бактерии зажигают свой яркий биохимический светильник.

Но не всегда микробов затягивает в воронку чужой глотки, где они находят кормушку и счастье на всю жизнь. Не всем так везет, как Aliivibrio fischeri. Иногда бактерии перемещаются по территории в поисках пропитания и общества. Нередко, как огонек такси поздно ночью, вдруг приходит спасительный зов от сородича: «Иди сюда, здесь ты нужен!» И тогда бактерии быстро пускаются в путь.

Встает закономерный вопрос: как микроб передвигается?

Вместо ручек и ножек у многих микроорганизмов есть так называемые жгутики, свисающие из тела как тонкие канаты. При необходимости эти нитеобразные структуры превращаются в пропеллер, который приводится в движение чем-то наподобие электромотора. Микробы могут разгоняться до 3000 оборотов в минуту.

Бывает и так, что бактерия слоняется как будто без дела. Микробиологи называют подобное поведение шатанием. Но и за таким передвижением кроется система. Бактерии проверяют, в каком направлении можно найти благоприятные для себя условия.

Было бы нетрудно предположить, что неприхотливые одноклеточные просто селятся где-то, все равно где. Но, как живые детекторы, эти крошечные существа проверяют окружающую среду на пригодность и чувствуют, есть ли поблизости чем поживиться.

Например, по химическому составу окружающей среды они могут определить, есть ли здесь источник пищи.

Человеческий организм для этих невидимых сожителей так же привлекателен, как страна с молочными реками и кисельными берегами. Микробам нравится наша приятная температура тела. Кроме того, здесь они находят неисчерпаемый запас пищи. Все, что мы брезгливо смываем с лица или счищаем с одежды, бактерии поедают с удовольствием: это телесные выделения и частички кожи. И тем более кровь.

Замечательным и в то же время отвратительным «общественным достижением» бактерий является биопленка. Эта слизь возникает, когда триллионы бактерий скучиваются и выпускают молекулы, склеивая мощный болотистый ковер. В этой среде бактерии и микроорганизмы прекрасно себя чувствуют, потому что там они практически недостижимы. При возникновении этих микробных мегаполисов также не обходится без «чувства кворума».

В медицине и гигиене биопленки стали крупной проблемой. Исследования показывают, например, что до 50 % всех пациентов, у которых катетер для мочевого пузыря установлен более недели, заражаются инфекцией мочевыводящих путей. Это происходит потому, что бактерии образуют биопленку на пластиковых трубочках и внутри них.

Больные муковисцидозом страдают от хронической легочной инфекции. Виновата в этом вредная бактерия Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка). Это омерзительное создание образует в легочной ткани больного устойчивую биопленку, которую даже бронебойная долгосрочная терапия антибиотиками не может победить.

За примерами этих структур далеко ходить не надо: если не почистить зубы один день, на них образуется ворсистый налет. Этот предшественник кариеса и дурного запаха изо рта возникает, когда миллиарды бактерий собираются вместе.

Раковина в доме — это тоже «горячая точка» для микробов. Моя теща драила раковину так, что от блеска резало глаза, но парой сантиметров глубже все равно начинаются проблемы. Слова «сифон» и «грязь» — практически синонимы. Количество бактерий, обитающих в сливной трубе, превосходит всякое человеческое разумение. С образовавшейся в сливе биопленкой не справится ни горячая вода, ни «Доместос», ни даже молоток с долотом.

Ученые бьют тревогу: микробы — возбудители заболеваний становятся все более опасными. Они признают, что не могут угнаться за способностью противника к адаптации. Наше самое эффективное оружие в борьбе с опасными микробами сегодня — это антибиотики. Но при их разработке микробы не рассматривались как сложное сообщество. Антибиотик же пытается сделать безопасными все бактерии в радиусе поражения — независимо от того, полезная это для нас бактерия или вредная.

Но против защитного сообщества биопленки лекарства бессильны. Они просто не могут проникнуть сквозь ее слизистую оболочку.

При этом в наших антибактериальных стратегиях недооценивается «беспринципная» приспособленческая особенность бактерий. Если один микроб больше не может функционировать, на него нападает сородич. При такой форме расхищения трупов микроорганизмы быстро получают пищу. Но главное даже не в этом. Микроб поглощает генетический материал умершего микроба и встраивает его в собственный генетический материал. И становится сильнее.

Таким способом в микробном сообществе могут возникать настоящие Франкенштейны. Бактерия в мгновение ока превращается в полирезистентную, которую антибиотик не в силах сдержать. Именно из-за таких мутантов мы все больше теряем позиции в борьбе со злодеями из мира микробов. Антибиотики препятствуют необходимому производству материала для клеточных стенок, протеинов и других крайне важных для микробов молекул. Мутанты же обладают внушительным арсеналом для защиты от наших атак: они шустро вымывают антибиотик из тела клетки, они разлагают антибиотик ферментами, прежде чем он сможет проникнуть в тело микроба. При этом другие микробы замыкаются в оболочке или создают биопленку, в которую лекарство не может пробиться.

Мутанты выживают после курса антибиотиков, затем беспрепятственно размножаются и образуют огромную резистентную армию.

Удивительно, но в штаммах микробов старшие часто приносят себя в жертву ради молодых. Программа самоубийства, встроенная в план клетки, убивает бактерию, прежде чем она станет обузой для других. Для сообщества в биопленке это вдвойне практично: становится на одного едока меньше, а кроме того, тело усопшего служит провизией и складом дополнительных ДНК.