С нами или без нас: Естественная история будущего: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Бактерии, выпущенные в мегачашку, не обладали резистентностью ни к каким антибиотикам. Они были уязвимы и беспомощны. Но, вероятно, ненадолго. Команда исследователей хотела выяснить, как скоро безвредные и слабые кишечные палочки смогут развить сопротивляемость к обычному антибиотику. Как быстро появятся и распространятся устойчивые мутанты – пусть даже ценой гибели остальных немутантных бактерий?

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые решили добавить в мегачашку антибиотики. В варианте эксперимента, который был реализован Баймом после завершения курса Кишони, в качестве первого антибиотика выбрали триметоприм. Позже Байм повторил эксперимент с другим антибиотиком: им стал ципрофлоксацин. Антибиотики добавляли в мегачашку неравномерно, полосами. Идею полос предложила Либерман: она хотела создать для бактерий несколько уровней препятствий, один сложнее другого. В крайних полосках антибиотиков не было, но по мере продвижения от краев к середине их концентрация повышалась. В центральной полосе (равноудаленной от обоих краев) концентрация антибиотика была достаточно высокой, чтобы убить что угодно: она превышала смертельную для кишечной палочки в 3000 раз в случае с триметопримом и в 20 000 раз в случае с ципрофлоксацином. Именно это разделение экспериментального пространства на полосы напомнило мне реку Миссисипи близ Гринвилла. Полосы с антибиотиками – это дамбы, а центральная полоса – город Гринвилл или, если помыслить шире, все человечество, защищенное антибиотиками от реки бактерий-паразитов.

Рис. 10.1. Мегачашка, разработанная Майклом Баймом, Тэми Либерман и Роем Кишони.

Изображение: Нил Маккой, на основании более ранней версии Майкла Байма и соавторов

Бактериям-мутантам, пробирающимся к центральной полосе, сначала пришлось развить устойчивость к минимальной концентрации антибиотиков. Затем, чтобы справиться со следующим уровнем концентрации, им пришлось приобрести новые, дополнительные мутации. А потом им потребовалось повторять это снова и снова, наслаивая одни мутации на другие, пока обновляющийся набор генов не позволил им наконец добраться до центра чашки.

Рис. 10.2. Миссисипи и излучины, которые она проложила до того, как ее русло подправили и ограничили дамбами. Эту реку до сих пор, как и прежде, отличают непостоянство и изменчивость.

Карта: Гарольд Фиск, Инженерный корпус армии США, 1944. Опубликована в рамках геологического исследования аллювиальной долины Нижней Миссисипи

Эксперимент с мегачашкой стал современной классикой эволюционной биологии; отчасти так получилось из-за того, что он как нельзя лучше демонстрировал динамику эволюции. В книге «Клюв вьюрка», замечательно описывающей эволюционные исследования на Галапагосских островах, Джонатан Уинер писал:

Байм, Либерман и Кишони придумали и воспроизвели именно такие условия, обратив особое внимание на высказанные Уинером опасения по поводу смешивания и комбинирования.

В больницах и других местах, где часто применяются антибиотики, например на свиных и птичьих фермах, одним из путей, развивающих у бактерий устойчивость к ним, выступает обмен генами посредством своего рода «клеточной толкучки»; биологи называют такой обмен горизонтальным переносом. В ходе горизонтального переноса бактерии соединяются и обмениваются плазмидами – короткими кусочками генетического материала. Такое соединение может происходить даже между неродственными видами, которые так же далеки друг от друга, как коза и кувшинка. В результате этих спариваний появляются гибриды с новыми генами, способные выполнять новые задачи. Подобное соединение безостановочно происходит повсюду: прямо сейчас, пока вы это читаете, оно идет в вашем теле. Однако в начале эксперимента с мегачашкой его быть не могло. Ни у одной бактерии в эксперименте не было генов резистентности к триметоприму или ципрофлоксацину. Бактерии не могут обмениваться тем, чего у них нет.

Единственный путь, следуя которому бактерии в мегачашке могли выработать устойчивость, требовал случайных мутаций – таких изменений букв генетического кода, поколение за поколением, после которых какие-то из мутаций дали бы версии генов, позволяющие противостоять антибиотикам. У экземпляров с обновленными генами было бы намного больше шансов выжить в присутствии антибиотиков. Сама возможность этого походила на какое-то удивительное безумие, но на нем, собственно, и основана эволюция путем естественного отбора. Наш собственный геном эволюционировал (и эволюционирует) именно таким путем. Но он делал это очень и очень медленно.

На примере бактерий Байм, Либерман и Кишони надеялись увидеть стремительную эволюционную динамику, втиснутую в краткий временной интервал. У ученых были все основания допускать такую возможность. Для начала стоит вспомнить, что популяция бактерий в мегачашке была огромной: иначе говоря, даже притом что мутации у E. coli происходят редко (примерно одна на миллион делений), в мегачашке могло накопиться немало мутационных новаций. Кроме того, поколения E. coli в лаборатории сменяются примерно за 20 минут, позволяя естественному отбору вновь и вновь работать с полученными мутациями. Это означало, что чуть больше чем за сутки – за 31 час – Байм, который регулярно проверял мегачашку, мог наблюдать смену примерно 72 поколений, что сравнимо с изучением человеческой популяции на протяжении 2000 лет, начиная с Рождества Христова. За 10 дней перед ним могли пройти 7200 поколений, что было эквивалентно 20 000 лет у людей – периоду, начавшемуся с возникновения сельского хозяйства или даже еще раньше. Но, хотя 20 000 лет могут показаться значительным сроком, наш вид не претерпел за это время заметных изменений – ничего такого, что бросалось бы в глаза. С учетом сказанного сколько же времени могло потребоваться бактериям для выработки резистентности? Начиная опыты с мегачашкой, Байм, Либерман и Кишони предполагали, что на это уйдет месяц или больше – вплоть до года. Или же вообще несколько лет.

Однако вопреки ожиданиям времени потребовалось совсем немного. Результаты были видны очень хорошо, поскольку Байм подкрасил твердый агар в мегачашке черным цветом: на его фоне легко просматривалось, как делятся и распространяются белые E. coli.

В случае с триметопримом первую полосу мегачашки, в которой не было антибиотика, E. coli заполнили с легкостью. Они ели, опорожнялись и делились, затем переплывали дальше в поисках пищи и, заново повторив весь цикл, плыли дальше. Белые скопления их одноклеточных тел, что неудивительно, закрыли собой слой чернил. В это время, вероятно, появилось много мутантов, хотя никто из них не мог выжить в присутствии антибиотиков во второй полосе мегачашки. Пока экспериментаторы не наблюдали ни естественного отбора, ни спровоцированной им эволюции.

Но, вернувшись через несколько дней, Байм обнаружил несколько иную картину. Спустя примерно 88 часов появился первый мутант, способный выжить при минимальной концентрации антибиотика. В какой-то бактериальной клетке произошла необходимая для этого мутация. Потомство этой клетки стало стремительно заполнять вторую полосу на одной из сторон мегачашки. Оно превратило черные участки агара в белые. Затем на глазах у Байма во второй полосе независимым образом возникли другие мутанты. Едва появившись, они начали питаться, делиться и распространяться. В ускоренной перемотке бактерии, заполняющие вторую полосу и накрывающие черный агар, были похожи на бурлящую, вздымающуюся, пузырящуюся воду – на самое настоящее наводнение. Они демонстрировали ту же неумолимость и ту же силу, что и река.

В книге «Происхождение видов» Дарвин писал: «Выражаясь метафорически, можно сказать, что естественный отбор ежедневно и ежечасно расследует по всему свету мельчайшие вариации, отбрасывая дурные, сохраняя и слагая хорошие, работая неслышно и незаметно, где бы и когда бы ни представился к тому случай, над усовершенствованием каждого органического существа по отношению к условиям его жизни, органическим и неорганическим»{156}. В нашем случае Байм увидел работу естественного отбора не в масштабах геологического времени, но за считаные дни. «Мельчайшие вариации» возникали благодаря мутациям – изменениям, затронувшим всего лишь несколько пустяковых букв генома. И они оказывались благотворными – по крайней мере, когда антибиотик присутствовал лишь в малой концентрации. Причем, как предстояло убедиться Байму, естественный отбор еще не завершил свой «неслышный и незаметный» труд.

В последующие несколько дней мутации затронули меньшее число бактерий; эти новые изменения позволяли им выживать при более высоких концентрациях антибиотика. Естественный отбор благоприятствовал мутантам. Сначала они заполнили третьи полосы мегачашки, а затем то же самое повторилось и с четвертыми полосами. Возникли новые мутанты, с еще большей сопротивляемостью, они и заполонили четвертые полосы. Наконец, спустя полторы недели появилась горстка мутантов, способных выжить даже в центре мегачашки – там, где концентрация антибиотиков была максимальной. Они прорвали последнюю дамбу: всего за 10 дней центральную полосу гигантской чашки Петри наводнила устойчивая жизнь.

Байм изучил результаты эксперимента, обсудил их с Либерман и Кишони, а затем – как и полагается ученому – повторил все заново. И вновь бактериям хватило 10 дней, чтобы добраться до середины. Вслед за этим он повторил эксперимент с другим антибиотиком, ципрофлоксацином. На этот раз бактерии добрались до середины чашки и заполнили ее за 12 дней. Байм повторял эксперимент снова и снова, и каждый раз эти сроки оставались неизменными. При использовании разных антибиотиков результаты различались, но незначительно. Главное же состояло в том, что в обоих случаях у бактерий очень быстро развивалась устойчивость к предельно высоким концентрациям антибиотика. С тех пор другие ученые не раз повторяли описанный эксперимент в различных вариациях, с иными антибиотиками и другими бактериями. Результаты каждый раз оказывались схожими, разница состояла лишь в том, сколько времени требовалось бактериям, чтобы добраться до середины чашки. На рекламной панели Warner Brothers, вдохновившей Кишони, команда маркетологов написала слово «ЗАРАЖЕНИЕ». А в своей мегачашке Байм, Либерман и Кишони читали более зловещее послание, которое гласило: «РЕЗИСТЕНТНОСТЬ».

В эволюционной войне с врагами-микробами мы в меньшинстве. Это касается и бактерий, и вирусов, паразитирующих на наших телах и внутри них. А также и тех видов, которые стремятся, опережая нас, съесть нашу пищу. У наших врагов есть преимущество: высочайшая численность популяций, при которой адаптивная эволюция идет быстрее. Чем многочисленнее популяция, тем выше вероятность, что у какой-то особи возникнет мутация, благоприятная в новых условиях – например, в присутствии антибиотиков, гербицидов или пестицидов. Другое преимущество видов, с которыми мы конкурируем, – быстрая смена поколений. И в каждом поколении может сработать естественный отбор. Чем больше сменяется поколений, тем больше возможностей для продвижения определенных наследственных линий – в том числе тех, в которых есть новые мутации. Существенным плюсом для видов, конкурирующих с нами, является также и то, что в созданных нами упрощенных экосистемах у них почти не осталось соперников и хищников. Они избавились от напастей и врагов и теперь могут сосредоточиться на поглощении доступных пищевых ресурсов. И наконец, определенные бонусы конкурентам дает наше собственное поведение. Чем упорнее мы пытаемся их уничтожить, тем быстрее их устойчивые линии одолевают линии уязвимые. Наше главное оружие бьет по нам самим.

Пока существует человечество, наилучшие перспективы для эволюции новых видов открываются в городах, домах, фермах и наших организмах. Все перечисленное представляет собой наиболее динамично развивающиеся обитаемые среды планеты, постоянно открывающие новые эволюционные возможности для происхождения видов. Мы живем бок о бок с эволюцией.

Виды, развивающиеся рядом с нами в привычных для нас средах, могли бы приносить нам пользу или хотя бы мирно сосуществовать по соседству, как вороны. Но они вовсе не обязаны быть милыми или мирными – и, скорее всего, не будут таковыми. Продолжая ущемлять и истреблять окружающую нас жизнь, мы спровоцируем возникновение вполне определенного типа видов – устойчивых к нашим антивирусам, вакцинам, антибиотикам, гербицидам, пестицидам и фунгицидам. Если мы проявим неосмотрительность, то вокруг нас расплодятся сплошь опасные виды: это будет сад злых созданий, порожденный нашим стремлением к тотальному контролю. Медуза Горгона обращала всех, кто взглянет на нее, в камень. Мы же обращаем виды, к которым прикасаемся своим оружием, в почти бессмертных врагов.

Но это не единственный сценарий будущего. Ход эволюционного становления видов, возникающих в ответ на наши атаки, зачастую легко предсказать. Эту предсказуемость можно обратить себе на пользу. Вовсе не обязательно дожидаться, пока наши организмы, поколение за поколением, преобразуются, реагируя на появление устойчивых паразитов, или пока генетики выведут новые сельскохозяйственные культуры, способные противостоять вредителям. Мы способны планировать будущее, применяя свои познания в эволюционной биологии, – по крайней мере, потенциал для этого у нас есть.

Однако, прежде чем поразмыслить, как можно было бы ограничить сопротивляемость и научиться действовать в согласии с рекой жизни, а не в противостоянии ей, давайте посмотрим, что будет, если мы оставим нынешние препятствия без внимания. Для этого вернемся к эксперименту с мегачашкой. Это своего рода синекдоха: часть, представляющая целое. В тот самый момент, когда Александр Флеминг обнаружил, что некоторые грибы производят антибиотики, пригодные для использования человеком, уже было ясно, что бактерии, которые мы попытаемся истребить этими антибиотиками, рано или поздно обретут устойчивость к ним. Именно об этом Флеминг и сказал в своей нобелевской речи в 1945 году. Уже тогда он знал, что «не так уж трудно привить микробам устойчивость к пенициллину». Поэтому его страшило, что антибиотики сделаются слишком доступными и начнут применяться без нужды, работая, таким образом, на укрепление резистентности{157}. Так и произошло. В том варианте эксперимента с мегачашкой, который реализуется в наших организмах, домах и больницах, устойчивые к антибиотикам бактерии встречаются довольно часто, а во многих (хотя и не во всех) регионах – все чаще и чаще. Сотни наследственных устойчивых линий бактерий появились в ответ на широчайшие масштабы применения антибиотиков и колоссальные запасы пищи, которые представляют собой наши организмы для бактериальной жизни. Каждая линия развивалась по-своему, в зависимости от местных условий, генетических предпосылок и конкретного вида используемого против нее антибиотика. Бактерии становятся более резистентными, делая клеточную стенку невидимой для антибиотика или не позволяя ему с ней связываться. Они делают клеточную стенку непроницаемой для антибиотика, и тогда она не впустит его. Они используют нечто вроде внутреннего насоса, который выталкивает антибиотик из клетки (примерно так же мы вычерпываем воду из лодки). Они трансформируют белки в клеточных стенках, с которыми соединяются антибиотики. Они даже создают что-то вроде биохимического ножа, которым режут антибиотик на кусочки. А иногда они сочетают разные виды защит в тех или иных комбинациях. Как нет двух одинаковых снежинок, так не бывает и двух одинаковых штаммов резистентных бактерий.

Но история резистентности повествует не только о бактериях. Это явление обнаруживается и у простейших – например, у видов, вызывающих малярию. Глобальная история эволюции малярийных паразитов, у которых сформировалась устойчивость к противомалярийному лекарству под названием «хлорохин», на карте мира выглядит как расширенный эксперимент с мегачашкой Петри. Впервые такая резистентность обнаружилась в 1957 году в горах Камбоджи. Затем устойчивая форма стала распространяться, вытеснив другие штаммы паразита в тех местах, где применялся хлорохин, – то есть почти везде. Она перекинулась на соседний Таиланд, затем ушла дальше в Азию, попала в Восточную Африку и разошлась по всему Африканскому континенту. Одновременно она каким-то образом добралась до северной оконечности Южной Америки, откуда расползлась почти по всему этому континенту. Она распространялась подобно бактериям в эксперименте с мегачашкой. Сейчас, пока я пишу эти строки, у некоторых штаммов вируса, вызывающего COVID-19, тоже начинает формироваться устойчивость к одной или нескольким вакцинам.

Более того, эволюция резистентности не ограничивается только микроскопическими видами. Среди более солидных форм жизни в этом отношении наблюдается примерно то же самое, что и среди бактерий и простейших. Так, у клопов сформировалась сопротивляемость к полудюжине разных пестицидов. По приблизительным оценкам, не менее 600 видов насекомых устойчиво по крайней мере к одному пестициду, а многие даже к нескольким. Сюда входят вредители как домашние, так и сельскохозяйственные. Что касается последних, то они сумели развить устойчивость к пестицидам, применяемым и в полях, и в трансгенных посевах.

Эволюция творит, причем акты ее творения никогда не завершаются: естественный отбор неустанно занят созданием все новых видов, типов и форм. Своими действиями мы создаем эти варианты. Мы формируем их и по сути, и в деталях. Я уже цитировал натуралиста Бюффона, который в 1778 году заметил: «Весь лик Земли несет отметины человеческой мощи»{158}. В этих отметинах – польза для одних видов и вред для других. Конечно, с нашей стороны было бы мудро постараться благоприятствовать становлению таких новых миров, которые наполнены прелестными цветами, сочными фруктами и полезными микробами. Но мы к этому не склонны. Оставляемые нами отметины благоприятствуют скорее новым мирам резистентных форм.

С 2016 года я состоял в экспертной группе, изучавшей упомянутые выше «сады злых созданий»{159}. Работу группы поддерживал Национальный центр социально-экологического синтеза (SESYNC), а возглавляли ее Петер Йоргенсен, научный сотрудник Стокгольмского центра устойчивости, и Скотт Кэрролл, исследователь из Калифорнийского университета в Дэвисе. Экспертная группа, получившая условное название «Жизнь с резистентностью», хотела среди прочего выяснить, повышается ли сейчас уровень применения биоцидов, формирующих сопротивляемость. Возможно, вы думаете, что в мире кто-то следит за такими вещами, однако это ошибочное мнение – целостной системы наблюдения как не было, так и нет. Потому-то мы и решили подсчитать, сколько типов биоцидов применяется в настоящее время, в каком объеме и насколько широко. Наши калькуляции дали вполне ясную картину.

Применение биоцидов нарастает параллельно с общим ускорением воздействия человека на остальной мир живого. У этого роста множество граней. Например, увеличивается количество продаваемых доз антибиотиков – как в целом, так и на душу населения. Аналогичным образом растет количество литров применяемых гербицидов в абсолютных цифрах и в расчете на акр, а также расширяются посевные площади устойчивых к гербицидам трансгенных культур. Есть, правда, и пример нисходящего тренда: его демонстрируют пестициды. Но соответствующие цифры обманчивы. Применение пестицидов снижается исключительно из-за того, что расширяется доля трансгенных культур, вырабатывающих собственные пестициды. Далее, все более распространенными становятся биоциды, применяемые в химиотерапии для борьбы с раком. На первый взгляд, рак вовсе не то же самое, что бактерии-паразиты или насекомые-вредители, однако раковые клетки способны развивать устойчивость к химиотерапии, из-за чего возникают резистентные опухоли – они сопротивляются попыткам врачей их сдержать{160}. Почти все живое несет на себе отпечаток человеческих биоцидов. Мы еще глубже вдавили большой палец во влажную глину на гончарном круге природы.