Разрушители. Грибки и грядущая пандемия: читать начало книги онлайн

48 American Society for Microbiology. COVID-19-Associated Mucormycosis: Triple Threat of the Pandemic. https://asm.org/Articles/2021/July/COVID-19-Associated-Mucormycosis-Triple-Threat-of.

49 Cox G.M. Mucormycosis (Zygomycosis). UpToDate. https://www.uptodate.com/contents/mucormycosis-zygomycosis.

50 Mathew J. et al. COVID-19 – Associated Mucormycosis: Evidence-Based Critical Review of an Emerging Infection Burden during the Pandemic’s Second Wave in India // PLoS Neglected Tropical Diseases 15. November 18, 2021. № 11.

Глава 2

Вымирание

Карен Липс изучает земноводных в Коста-Рике и Панаме, а также по всей Америке. Она наиболее известна благодаря своим работам, посвященным лягушкам, в том числе потому, что случайно обнаружила и задокументировала их постепенное исчезновение.

Поступая в аспирантуру в конце 1980-х годов, Липс представляла себе приключения и далекие края. Она фантазировала, как будет изучать ящериц в Австралии или лягушек в Центральной Америке. В это же время ее научный руководитель Джей Сэвидж, который был широко известен в мире герпетологии, писал книгу, посвященную экологии и эволюции фауны Коста-Рики. Впоследствии она была издана под названием «Амфибии и рептилии Коста-Рики». В первое же лето, которое Липс провела в этой стране, она обнаружила клочок земли, на котором обитала необычная лягушка размером с большой палец. Это была «флуоресцентно-зеленая лягушка, колючая и совершенно невероятная, – вспоминает исследовательница. – Почти неотличимая от мха на деревьях». Однако ниже по склону горы этот же вид выглядел по-другому: был коричневым и гладким. Иначе звучали и их песни. Научное название лягушки было Hyla lancasteri, но Липс довольно быстро поняла, что отличия вида, обитавшего в низинах, от того, который населял горы, могут стать основой для экспериментов, достойных докторской степени1. Она взялась за эту работу и впоследствии переименовала открытый ею вид в Isthmohyla calypsa.

В Коста-Рике Липс жила в суровых горах Таламанки, в хижине, принадлежащей одной местной семье. В нижней части долины, у реки, семья расчистила землю под пастбища, но на возвышенностях и вокруг фермы рос старый, нетронутый и полный невероятных видов облачный лес. От хижины до фермы было 45 минут ходьбы, оттуда до города – час езды по горной дороге, причем на машине с полным приводом и цепями на колесах. Здесь не было ни водопровода, ни телефона, ни электричества, но полный мхов пышный, влажный облачный лес представлял собой рай для герпетолога. Липс начала работу над докторской диссертацией весной 1991 года и оставалась на месте в течение следующих двух лет. Дни она проводила, гуляя по мшистым камням, в изобилии разбросанным по ручьям. Измеряла головастиков, отыскивала яичные массы на листьях растений. В темное время суток искала те виды лягушек и других существ, которые ведут ночной образ жизни.

В декабре 1992 года Липс отправилась домой на рождественские каникулы, а когда она вернулась в новом году, то обнаружила, что лягушек стало меньше. К следующему году они совсем исчезли, что не коснулось других видов животных и растений – все осталось по-прежнему. Место поисков находилось в биосферном заповеднике Ла-Амистад – на охраняемой территории, где не вырубали деревья и не прокладывали дороги, и отсутствие лягушек стало единственным изменением. Те немногие лягушки, которых Липс обнаружила, были уже мертвыми или медленно умирали. По ее словам, это редкое явление, потому что обычно птицы и змеи быстро расправляются со слабыми или только что умершими особями. Для сравнения она отправила семь из найденных лягушек вместе с несколькими здоровыми патологоанатому, который заметил что-то странное в их коже, но не понял, что именно, и не смог определить причину смерти. В отсутствие какой-либо очевидной причины Липс задавалась вопросом, не связано ли сокращение численности лягушек на участке с ее исследовательскими действиями. А может, во всем виноваты токсичные химикаты, изменение режима осадков или какая-нибудь болезнь – бактериальная или вирусная эпидемия? Вопросов было много, в отличие от ответов². Защитив диссертацию, но лишившись самого объекта исследований, Липс переехала из Коста-Рики в западную Панаму, где продолжила свою работу.

В конце 1980-х годов ученые заметили и обеспокоились исчезновением популяций лягушек в США, Австралии, Коста-Рике и Мексике³. Леса и тропические деревни, когда-то наполненные лягушачьим пением, затихли. Выдвигались самые разные теории: изменение климата, потеря среды обитания, засуха, ультрафиолетовое излучение, пестициды и вирусы. Некоторые потери были настолько масштабными и внезапными, что это вызывало споры: а действительно ли это «потери» или же люди стали свидетелями экологии в действии, в которой взлеты и падения природных популяций являются естественными процессами⁴? Еще до того, как Липс начала работать в облачном лесу, полностью исчезла популяция оранжевых жаб, которые когда-то в изобилии населяли север заповедника Монтеверде в Коста-Рике. По словам одного из исследователей, десятилетием раньше в зависимости от года там можно было встретить сотни или тысячи жаб. Очевидного объяснения исчезновений не было, но все, что происходило, совершенно точно обычным не являлось⁵.

Лягушки начинают свою жизнь под водой в виде головастиков. Они похожи на рыб и дышат с помощью жабр, которые извлекают кислород из воды, когда она проходит по рядам дыхательных клеток с высокой васкуляризацией. Как и у других земноводных, у лягушек со временем развиваются легкие, позволяющие им жить на суше, однако, несмотря на это, большинство из них не отходит далеко от воды и абсолютно все возвращаются к ней, когда приходит время размножаться. Одни виды лягушек проводят в воде всю жизнь, а у других, в том числе у многих разноцветных лягушек-древолазов, которые являются ядовитыми, все происходит наоборот. Например, земляничная дротиковая лягушка Пумилио размножается на подстилке из листьев, а затем переносит каждого только что вылупившегося головастика на спине и выпускает в крошечный бассейн с водой, который образуется между слоями листьев бромелиевых, – по одному головастику на бассейн⁶. Она также сбрасывает в воду неоплодотворенные икринки, чтобы головастики могли ими кормиться. Раньше существовали так называемые заботливые лягушки, которые могли размножаться на суше. Чтобы обеспечить подходящую безопасную водную среду для личинок, лягушка-мать проглатывала оплодотворенные икринки, и лягушата созревали в ее желудке. Этот вид вымер в 1983 году⁷, и никто точно не знает почему. Причины рассматриваются разные: от разрушения среды обитания до загрязнения и болезней.

Лягушки и другие амфибии и рептилии – эктотермы, то есть способны незначительно контролировать собственную температуру. Если погода теплая, им тепло. Если прохладно, то их тела прохладные.

Древесная лягушка, обитающая на Аляске, практически замерзает на семь-восемь месяцев в году: ее тело медленно застывает, а печень начинает вырабатывать сахар, который действует как антифриз, обеспечивая выживание. Со временем кристаллы льда вырастают в кишечнике и пространствах вокруг сердца, мозга и других органов, и лягушка замерзает, а затем, когда возвращается более теплая температура, оживает⁸. Но миф о том, что лягушки в кипящей воде не замечают жара, пока не становится слишком поздно, не соответствует действительности. Если у них есть возможность выпрыгнуть, они это сделают.

Лягушки различаются не только по цвету, но и по размеру. Одни из них размером с ноготь большого пальца, а другие достаточно велики, чтобы питаться птицами и мышами. Почти все они имеют зубы, пьют через кожу и обладают липкими языками, которыми ловят добычу. Большинство лягушек – хищники с разнообразным рационом, в который входят личинки, летающие насекомые, улитки и все остальное, что они могут поймать языком и запихнуть в рот. Существуют и безъязычные лягушки – для хватания пищи они используют передние лапки. Врагов у лягушек много, включая птиц, мелких млекопитающих и змей, а некоторые виды защищаются, выделяя через кожу ядовитые химические вещества. Ядовитые древолазы Dendrobates вооружены горькими и высокотоксичными алкалоидами, а их разноцветная кожа отпугивает потенциальных хищников. Большинство ученых сходятся во мнении, что лягушки не производят свой яд, а получают его из пищи. Алкалоиды – сложные, часто биологически активные химические вещества, что делает их потенциально полезными для исследователей, ищущих новые лекарства от боли при раке и различных недугах. Некоторые алкалоиды являются галлюциногенами.

Кожа лягушки выделяет ее среди других животных не просто цветом и текстурой – это удивительный орган. Она проницаема для кислорода, что помогает лягушкам дышать, усеяна слизистыми железами, которые выделяют слизь для поддержания влажности кожи, и, как и наша кожа, наполнена сложным и потенциально полезным микробиомом. Кожа – это первая линия защиты от болезней⁹, и лягушки, как и другие позвоночные, обладают относительно развитой иммунной системой с дифференцированными иммунными клетками, такими как Т-клетки и макрофаги, а также клетками, вырабатывающими антитела. Кожа лягушки также регулирует уровень электролитов, таких как соли, сахара, калий и другие важные молекулы. Лягушки зависят от того, насколько их кожа способна выполнять необходимые функции, именно поэтому для них особенно опасны кожные заболевания.

У животных, включая и человека, и грибы, был один общий предок – это клетка с бьющимся хвостом, называемым жгутиком, который двигал ее вперед через водную среду, подобно сперматозоиду. Примерно миллиард лет назад «потомки» этой клетки разошлись, чтобы однажды стать животными и грибами. Поколение за поколением они развивались и отдалялись, формируя ветви сложного взаимосвязанного древа жизни, пока оно не стало таким, каким мы его знаем сегодня. Со временем растения, животные и грибы, которые когда-то были полноправными обитателями водного пространства, перебрались на сушу. Растения пустили корни, животные стали ползать, плавать и летать, а грибы смешались со всем растительным, животным и бактериями и в большинстве своем утратили способность самостоятельно передвигаться – они стали полагаться на воздушные потоки и животных, которые могут переносить споры.

Один из видов, называемый Chytridiomycota, или хитридомицеты, также известные как хитриды, раньше других отделился от генеалогического древа грибов и сохранил хвостовой придаток, поэтому его споры подвижны. Как и многие другие грибы, хитриды являются сапротрофами, то есть питаются в основном отмершими останками живых существ, поглощая их извне, переваривая и после преобразуя остатки. Некоторые из них также паразитируют на живых организмах. Когда грибок поселяется на источнике пищи, длинные, похожие на корни структуры, называемые ризоидами, проникают в ее ткани. Питаясь, хитриды, как и другие грибы, выделяют ферменты, растворяющие растения, микробы или животных в пище. Полноценный хитридный грибок, или слоевище, похож на зловещую кнопку-смайлик, отрастившую обширные корни. Со временем формируется округлая структура – зооспорангий (грибной пузырек, или спорангий), который заполняется жгутиковыми зооспорами10. Поскольку они подвижны, то обладают определенной активностью и, как только высвобождаются, сразу ищут нового хозяина. Некоторые хитриды выбирают водоросли, другие заражают грибы – выбор хозяина отличается разнообразием. Важно то, что грибок ищет в пище как хитин, так и кератин11, а источником последнего может выступать кожа земноводных.

Когда Липс перенесла свои полевые изыскания в Панаму, она была полна надежд. Это был новый проект в новом месте за сотни миль от предыдущего. Она проложила в лесу трансекты, или линейные тропы, чтобы изучить популяции лягушек, змей, саламандр и ящериц: «Чтобы выяснить, что там есть, и решать интересные задачи»¹². Это было место, куда она могла бы возвращаться и изучать его десятилетиями. Но в декабре 1996 года стало ясно, что там происходит нечто странное. Лягушек было легко заметить днем: они сидели на земле, а не на листьях, которые нависали над ручьями. Липс вспоминала: «Мы брали лягушку в руки, и она тут же умирала». В какой-то момент она задалась вопросом, не является ли выбранное для исследования место одним из тех, где таинственным образом исчезают лягушки: «Я как будто оказалась в центре тайны, но не знала об этом».

В период с 1996 по 1998 год в Национальном зоопарке в Вашингтоне погибли от неизвестного кожного заболевания несколько видов лягушек, включая голубых, красящих древолазов и древесных лягушек Уайта. Ученые заподозрили наличие хитридных грибков, но не смогли определить конкретный вид, поэтому отправили образцы Джойс Лонгкор, микологу из Университета Мэна, которая была известна тем, что занималась поисками и идентификацией необычных грибов. Лонгкор описала образец как ранее не идентифицированный вид хитрид, а год спустя, в 1999-м, при поддержке ученых зоопарка дала ему имя – Batrachochytrium dendrobatidis, или Bd. Оно было указано в статье, описывающей патогенный для лягушек хитридный грибок, который стал первым известным грибком, паразитирующим на живых позвоночных13. Таким образом, исследуя особенности необычной лягушки, Карен Липс задокументировала появление Bd – хитридного грибка, убивающего целые виды.

Когда грибок Bd поселяется на коже лягушки, он прорастает, выпуская корнеподобные ризоиды. Есть основания полагать, что, захватив организм, он может даже подавить иммунный ответ лягушки¹⁴. Попав внутрь, хитриды питаются кератином и другими питательными веществами, клонируя себя до тех пор, пока зооспорангии не заполнятся, а их при заражении лягушки могут образовываться сотни или тысячи. Когда каждый из них заполняется зооспорами, зооспорангии поднимаются сквозь кожу лягушки на стеблях, похожих на растения. Таким образом миллионы подвижных зооспор оказываются выпущены в окружающую среду в поисках новых хозяев. Болезнь оставляет кожу лягушек висеть клочьями. Зараженные животные борются за кислород, а электролиты выходят из равновесия. Смерть наступает в результате сердечного приступа¹⁵.

Прошло более 30 лет с тех пор, как Карен Липс впервые отправилась в облачные леса Коста-Рики, чтобы изучать лягушек. А в 2019 году уже десятки ученых, включая исследовательницу, писали о разрушениях, вызванных Bd: «Это самая большая задокументированная потеря биоразнообразия, наступившая в результате действия патогена»¹⁶. До появления Bd никто не знал, что какая-либо болезнь может иметь настолько страшные последствия. Теперь мы знаем.

Гладкую шпорцевую лягушку (Xenopus laevis) нельзя назвать красивой. Она скорее невзрачная: у нее широкая плоская голова, бородавчатое грязно-коричневое тело и длинные тонкие пальцы. В отличие от многих других лягушек, у нее нет языка и она может всю жизнь прожить в аквариуме с водой. И все же лягушка, живущая к югу от Сахары, – одна из самых продаваемых амфибий в мире.

Путешествие этого вида началось вскоре после 1928 года, когда английский эндокринолог Ланселот Хогбен высадился в Кейптауне, который находится в Южной Африке. Хогбен изучал влияние гормонов гипофиза на состояние кожи амфибий, а гладкая шпорцевая лягушка меняла цвет в зависимости от условий окружающей среды. Она могла быть настолько темной, что казалась почти черной, или настолько бледной, что ее можно было посчитать белой. Когда Хогбен удалил у нескольких особей гипофиз – маленькую железу, расположенную прямо под мозгом, – они остались практически белыми. Решив подкрепить полученный результат дополнительными данными, Хогбен ввел самке лягушки гормоны гипофиза, полученные от быка, в качестве своеобразной гормональной замены. Она, в свою очередь, выпустила яйца. При этом не имело значения, находился ли рядом самец, чтобы стимулировать процесс метания икры, – гормон быка побудил лягушку к овуляции¹⁷.

В 1931 году Хогбен и его коллеги опубликовали результаты исследования функции гипофиза и яичников у гладких шпорцевых лягушек, а спустя некоторое время ученые определили, что хорионический гонадотропин человека, известный как ХГЧ, способен вызывать овуляцию у лягушек. Этот гормон циркулирует в крови беременных женщин, а еще легко обнаруживается в моче. Сделанное учеными открытие привело к тому, что лягушек стали широко использовать для определения беременности, а этот способ в итоге получил название «тест Хогбена»¹⁸.

Лягушки произвели революцию. В то время для определения беременности использовались кролики, которым вводили женскую мочу с помощью шприца. Старая поговорка «кролик умер» означала не только беременность, но и в буквальном смысле смерть животного, которое через несколько дней умерщвлялось, потому что иначе изменения в организме было невозможно определить. Если яичники оказывались увеличены – значит, женщину считали беременной. «Кроличий тест» был грязным и смертельно опасным делом, так что использование для этих целей лягушек открывало большие перспективы. Врачи просто вводили им образец женской мочи, и лягушки либо выпускали свои икринки в аквариумы, в которых они содержались, либо нет. Овулирующие лягушки давали ответ в течение дня и в результате положили конец убийству и вскрытию кроликов. А поскольку лягушки жили в аквариуме с водой, их было легко содержать в лаборатории или перевозить по всему миру. С 1930-х и до конца 1960-х годов многие тысячи гладких шпорцевых лягушек успешно определяли беременность и содержались в качестве домашних питомцев в самых разных уголках планеты, что к 1970 году сделало их одними из самых распространенных амфибий в мире¹⁹.

Многие лягушки, использованные для испытаний, были доставлены из Южной Африки. Там возле города Стелленбош находится заповедник Йонкершук, в котором работает инкубаторий. Правда, его мощностей не хватило, чтобы закрыть спрос, поэтому пришлось призвать на помощь сборщиков – за каждую лягушку, найденную в естественной среде обитания, им платили по 65 центов²⁰. К 1969 году инкубатор отгрузил более 400 тысяч особей, и половина этих поставок распространялась на разные страны. К тому времени стали появляться сообщения²¹ о том, что гладкие шпорцевые лягушки найдены в озерах и прудах на острове Уайт, а также в Аризоне, Флориде, Калифорнии и других регионах США, Европы и Японии. Популяции были обнаружены также в Чили и Португалии. Вместе с лягушками, поставляемыми частными импортерами, шпорцевые лягушки теперь плавали в аквариумах на всех континентах. Некоторые из них неизбежно сбегали, а других «гуманно» выпускали в местные пруды после того, как они переставали быть любимыми питомцами или объектами для опытов.

Вирус Bd распространялся настолько быстро, что, когда он захватил большую часть территории, люди все еще не догадывались об этом. К сожалению, трудно восстановить весь его путь, потому что путешествия в прошлое до сих пор невозможны, а без них не определить, как распространялся хитрид и какие популяции он затронул. Известно, что грибок перемещался вместе с лягушками, которых перевозили для торговли, но какие именно виды были носителями, остается загадкой.

Вэнс Вреденбург, эколог по болезням из Государственного университета Сан-Франциско, отслеживает развитие болезней во времени и пространстве по сохранившимся музейным образцам. На протяжении веков коллекционеры, очарованные разнообразием природы, прочесывали леса, ручьи и горы в поисках лягушек, змей, летучих мышей и других существ. Образцы животного мира не обязательно были нужны живыми, поэтому их потрошили и сушили или помещали в банку, наполненную формалином. Благодаря этанолу они могли храниться если не вечно, то сотни и сотни лет. Однако формалин влияет на ДНК, о чем коллекционеры долгое время не догадывались, поскольку мир узнал о ее существовании только в середине XX века, – до этого времени состав генетического материала оставался загадкой. Никто из коллекционеров прошлого не мог себе даже представить, что спустя десятилетия ученые будут изучать собранные ими образцы, чтобы раскрыть тайны грибов, способных вызывать пандемии.