Текст книги "Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни"
Автор книги: Карл Циммер
Жанры:
Прочая научная литература
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 24 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]
Индивидуальность E. coliдолжна послужить по меньшей мере предостережением для тех, кто готов свести природу человека к простому генетическому детерминизму. Живые организмы – не просто программы, задаваемые генами. Даже крошечным бактериям одинаковые гены и абсолютно идентичная генетическая структура могут подарить разную судьбу.
Глава 4. Путеводитель наблюдателя за E. coli
Человеческий кракатау
26 АВГУСТА 1883 Г. родился новый маленький мир. Островной вулкан Кракатау, расположенный в Зондском проливе между Явой и Суматрой, выбросил в воздух на 20 миль в высоту столб дыма и пепла. Камни превратились в пар, который с ревом мчался по проливу со скоростью едва ли не 500 км/ч. После извержения на месте, где находился конус вулкана, осталась подводная впадина и несколько безжизненных островков. Натуралист, посетивший один из островов девять месяцев спустя, написал, что единственным живым существом, которое ему удалось обнаружить на острове, был крохотный паучок.
Новые острова Кракатау лежат в сорока с лишним километрах от ближайшей суши, и жизни потребовался не один год, чтобы перебраться через водную преграду и вновь освоить эти земли. Сначала поверхность вулканического пепла затянула пленка сине – зеленых водорослей. Появились лишайники, мхи и папоротники. К концу XIX в. на островах образовалась саванна. Помимо пауков появились жуки, бабочки и даже вараны. Представители одних видов приплыли на острова, другие прилетели, а некоторых просто принесло ветром.
Биологические виды осваивались на островах вовсе не беспорядочно. Сначала появлялись выносливые первопроходцы, которые затем заменялись другими биологическими видами. Постепенно саванна уступила место лесам. Выросли кокосовые пальмы и фиговые деревья. После этого на острова уже могли переселяться орхидеи, инжирные наездники и другие привередливые виды. Первопоселенцы, такие как полосатая горлица, больше не находили себе места в пищевой цепи и в конце концов исчезли. Даже сегодня, 120 лет спустя после извержения, освоение Кракатау еще не закончилась. В будущем эта земля, возможно, будет готова принять бамбук, который произведет в ее экосистеме очередную революцию.
История Кракатау вполне соответствует общим экологическим правилам, которым жизнь следует везде, где появляются новые места обитания. Вулканические извержения опустошают острова. Оползни очищают от жизни горные склоны. Ледники тают, изменяя при этом береговую линию.
И рождаются дети. Для бактерий новорожденный ребенок – это настоящий Кракатау, ждущий своих колонизаторов. В момент рождения его тело почти полностью свободно от микроорганизмов, но в первые же несколько дней его заселяют E. coliи другие виды бактерий. Они образуют новую экосистему, которая будет жить и взрослеть вместе с ребенком, сопровождая человека на протяжении всей его жизни. Она также развивается во времени согласно собственным экологическим принципам.
Вообще, жизнь E. coliнамного сложнее, чем то, что мы видим в чашке Петри. Беззаботное существование в лаборатории не предъявляет к бактерии почти никаких требований. По результатам исследований из 4288 генов, которые ученым удалось идентифицировать у E. coliК-12, лишь 303 действительно необходимы бактерии для жизни в лаборатории. Это не означает, однако, что остальные 3985 генов совершенно бесполезны. Все они помогают E. coliотстоять свои позиции в густонаселенной экосистеме человеческого кишечника, где за пищу конкурируют тысячи видов бактерий.
Исследователь, изучающий кишечную палочку в пробирке, может попросту не заметить некоторые главнейшие стратегии, при помощи которых этот микроорганизм выживает в реальном мире. Хотя E. coliизучают уже больше ста лет, только в последние годы ученые начали понимать, насколько это общественное существо. Чтобы выжить, E. coliнередко приходится работать коллективно. Бактерии общаются между собой и сотрудничают. Миллиарды их объединяют усилия на строительстве огромных микробных городов и вместе сражаются с врагами.
В реальном мире не существует одного универсального способа быть кишечной палочкой. E. coliК-12 – всего лишь один из множества штаммов, которые живут внутри теплокровных животных, и стратегий выживания у них множество. Одни всего лишь пасутся в кишечнике и совершенно безобидны. Другие защищают нас от инфекций. Третьи убивают в год не по одному миллиону человек. Знакомиться с E. coliчерез один только штамм К-12 – все равно что знакомиться с семейством Canidae(собачьи) исключительно на примере шпица, мирно дремлющего на шелковой подушечке. Вне поля зрения при этом окажутся и динго, и большеухая лисица, и рыжий волк, и чепрачный шакал.
В поисках дома
E. coliпо природе своей первопроходец. Задолго до того, как большинство других бактерий устроилось в человеке – хозяине, E. coliуже основала там жизнеспособную колонию. E. coliспособна инфицировать младенца уже в процессе родов, воспользовавшись пальцами врача, или перебраться на младенца с матери во время кормления. На волнах перистальтики она добирается до желудка, где ей приходится выдержать кислотную ванну. Ионы водорода (протоны) из соляной кислоты желудочного сока просачиваются внутрь бактерии, но E. coliвстраивает в мембрану дополнительные насосы, которые успешно выбрасывают большую часть пришельцев наружу. Следует отметить, что в желудке E. coliне пытается вести себя как нормальная бактерия; вместо этого она входит в физиологическое состояние, которое один ученый определил как «состояние дзен». Бактерия полностью прекращает производство каких бы то ни было белков, за исключением тех, что нужны ей для защиты от кислоты.
После двух часов в состоянии этого кислотного дзена E. coliвыводится из желудка и попадает в кишечник. Ее насосы при этом продолжают выводить наружу лишние протоны, пока внутренняя часть микроба вновь не обретет нормальный отрицательный заряд. Биологические аккумуляторы снова становятся работоспособными, и теперь бактерия может начать производство новых белков и исправить старые. Она возвращается к обычным повседневным делам – по существу, к жизни. Однако до нового дома бактерии еще далеко. Сначала кишечная палочка должна пройти по тонкому кишечнику и выйти в толстую кишку. Конечно, длина маршрута здесь составляет всего лишь около 10 м, но она примерно в 7 млн раз превосходит длину путешественника – E. coli.Если человек нырнет в волны в Лос – Анджелесе и проплывет 7 млн длин собственного тела, позади его останется весь Тихий океан.
Пока бактерия дрейфует по человеческому кишечнику, ее нитевидные выросты – фимбрии цепляются за стенки. Слабого движения пищи оказывается достаточно, чтобы отцепить фимбрии, и бактерия продолжает потихоньку продвигаться вперед. Но, если поток обретает силу, фимбрии начинают упрямо цепляться за стенку. Случайно или нет, но кишечная палочка останавливается точно в том месте толстой кишки, которое ей лучше всего подходит, – там, где поток пищи движется на полной скорости. Под действием тепла E. coliзапускает производство белков, которые можно использовать для захвата железа, расщепления сахаров и синтеза других белков из аминокислот. Она начинает питаться и прекрасно себя чувствует, по крайней мере первые несколько дней.
Питаясь и размножаясь, бактерия готовит почву для собственного краха. Истратив значительную часть присутствующего в кишечнике кислорода и выделяя углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности, она изменяет химический состав окружающей среды. Фактически она создает новую среду обитания, пригодную для других видов микроорганизмов, которые постепенно проникают туда и занимают доминирующее положение. Экосистема, в создании которой участвует E. coli,великолепна. Ее население может достигать ста триллионов особей, что в десять раз превосходит по числу клеток наше собственное тело. По оценкам ученых, в кишечнике одного человека может сосуществовать до тысячи видов микроорганизмов; это означает, что если составить полный список всех генов, которые можно обнаружить в организме человека, то большинство их окажется нечеловеческими.
По мере того как численность других видов микроорганизмов увеличивается, E. coliотступает; в конечном итоге ее доля в бактериальном населении кишечника снижается примерно до одной десятой процента. E. coliстановится законной добычей вирусов и хищных простейших, а за пищу ей приходится конкурировать с бактериями других видов. По мере того как человек – носитель взрослеет и переходит с молока на другую пищу, его кишечник наполняется крахмалами и другими сложными сахарами, которые E. coliпросто не умеет расщеплять. Представьте, что вы приходите в ресторан и усаживаетесь за столик в ожидании вкусного обеда, а официант неожиданно заменяет ваш шоколадный мусс на миску сена. E. coliтеперь приходится ждать, пока бактерии других видов расщепят молекулы сложных сахаров, и питаться отходами их жизнедеятельности.
Не исключено, что, питаясь отходами, E. coliоказывает ответную услугу тем, кто ее этими отходами обеспечивает. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что утилизация простых сахаров, которой занимается кишечная палочка, позволяет другим микробам быстрее расщеплять молекулы сложных сахаров. Кроме того, E. coliпродолжает улавливать кислород – то небольшое его количество, которое время от времени накапливается в кишечнике. Удерживая содержание кислорода на стабильно низком уровне, E. coliобеспечивает большинству представителей нормальной микрофлоры комфортные условия. Именно эту экологическую нишу колонии E. coliзанимают в организме хозяина в течение всей его дальнейшей жизни. В любой момент в кишечнике человека можно обнаружить до 30 штаммов этой бактерии. Люди, полностью свободные от E. coli,встречаются очень редко.
В этом, кстати говоря, мы тоже похожи на E. coli:человек, как и кишечная палочка, зависит от внутренних бактериальных джунглей. Нам необходимы бактерии, которые производят ферменты для расщепления многих углеводов, входящих в состав нашей пищи. Кроме того, наши жильцы – бактерии синтезируют некоторые необходимые нам витамины и аминокислоты и помогают контролировать количество поступающих из пищи калорий. Изменение бактериальной флоры кишечника может привести к изменению массы тела. Но этого мало. Обитатели кишечника охраняют человека от болезней, поэтому врачи дают недоношенным детям специальные штаммы E. coli.Бактерии защищают кишечник: выпускают в него химические вещества, отпугивающие патогенные микроорганизмы, а также создают в кишечнике устойчивую экосистему, в которую патогены просто не в состоянии внедриться.
На самом деле трудно сказать, где заканчивается работа кишечной микрофлоры и начинается наша собственная иммунная система. Ясно одно: бактерии помогают иммунной системе человека поддерживать тонкое равновесие, когда нужно убивать патогенные микроорганизмы, а ткани собственного организма трогать нельзя. Исследования показывают, что некоторые штаммы E. coliспособны остудить боевую ярость иммунных клеток. Судя по всему, достаточная доза E. coliпомогает справиться не только с патогенными микроорганизмами, но и с аутоиммунными заболеваниями, такими как колит. Некоторые ученые утверждают, что наша иммунная система в ответ стимулирует бактерии к размножению и формированию толстых защитных скоплений на внутренних стенках кишечника. Эти скопления не только препятствуют внешним агрессорам, но и не позволяют отдельным бактериям проникать в слизистую оболочку кишечника. С точки зрения здравого смысла все это биохимическое рвение вполне объяснимо: в конце концов, мы и E. coli– члены одного и того же коллектива.
Совместная жизнь
В 2003 г. Джеффри Сток и его коллеги по Принстонскому университету поместили E. coliв лабиринт. В прямоугольном лабиринте со стороной меньше четверти миллиметра были пластиковые стены и стеклянная крыша. Ученые погрузили лабиринт в воду, а затем впрыснули во входное отверстие E. coli.Бактерии принялись вращать жгутиками и плавать. Предварительно команда Стока добавила каждой особи ген, отвечающий за светящийся белок, так что ученые имели возможность отслеживать скитания микроорганизмов по лабиринту.
Поначалу бактерии, судя по всему, плавали случайным образом. Постепенно, однако, они собрались группами и начали плавать стайками. Одни стайки заплывали в тупик и оставались там; судя по всему, их эта ситуация устраивала. Другие бактерии плыли следом, и через два часа тупик целиком наполнился массой светящихся бактерий.
Чтобы определить, как бактерии находят друг друга, принстонские ученые запустили в лабиринт мутантов. Выяснилось, что E. coliспособна собираться стаями до тех пор, пока действует ее бактериальный «язычок». Похоже, что ориентируется она по вкусу одной из аминокислот – серина. Дело в том, что при нормальном ходе обмена веществ E. coliвместе с другими отходами выбрасывает и серин. Ученые с 1960–х гг. знали о любви E. coliк серину, но списывали ее на поиск пищи. Теперь же объединение E. coliв группу в лабиринте подсказывает нам другую возможность. Что если «язычок» E. coliнастроен на поиск других представителей ее собственного вида?
Не так давно E. coliи другие бактерии считались индивидуалистами. В конце концов, думали ученые, у кишечной палочки нет того, что лучше любого клея скрепляет сообщества, – средства общения. E. coliне способна написать соседке е – мейл, огласить на рассвете пустыню громким пением или распустить перед самочкой хвостовые перья. Оказалось, однако, что у E. coliтоже есть своего рода язык; мало того, у нее есть и своего рода общество.
Общественная жизнь E. coliдолгие десятилетия оставалась за кадром, потому что биологов в основном интересовали более фундаментальные сведения о жизни E. coli:как она питается, растет и размножается. Методика, при помощи которой можно заставить E. coliделать и то, и другое, и третье как можно быстрее, была отработана и доведена до совершенства. Комфортная жизнь в тепле, при достаточном количестве кислорода и избытке пищи стимулирует отдельных бактерий к быстрому размножению. Такая жизнь, однако, мало чем напоминает нормальный образ жизни E. coli.Хотя человек съедает за свою жизнь около 60 т пищи, E. coliнередко приходится голодать по нескольку часов, а то и суток. Когда же появляется шанс поесть, нередко случается, что из еды вокруг только молекулы какого‑нибудь низкоэнергетического сахара, которые и расщеплять‑то почти бесполезно – энергии при этом извлекается ненамного больше, чем тратится. Вдобавок приходится конкурировать за каждую молекулу с другими микробами. Одновременно с этим E. coliдолжна противостоять атакам вирусов и хищников, а также новым, исходящим от человека опасностям, таким как антибиотики. Хозяин может заболеть, и тогда вся среда обитания бактерии подвергается разрушению. Один из лучших способов противостоять всевозможным катастрофам – объединить силы с другими E. coli
Биопленка E. coli
Собравшись вместе, бактерии могут сделать многое. Так, в некоторых условиях группа E. coliобразует жгутики нового типа, гораздо более длинные, чем обычные. Новые жгутики соединяются между собой, связывая миллионы бактерий в единую бурлящую массу. Вместо того чтобы плыть куда‑то, они толпятся на поверхности и выпускают наружу молекулы, которые покрывают воду и создают на ее поверхности слизистую пленку. Такое роение на поверхности позволяет скоплению E. coliскользить по чашке Петри или, как подозревают ученые, по стенке кишечника.
В других случаях E. coliпредпочитает осесть на месте и строит себе бактериальный город. О том, что бактерии способны образовывать мутный налет на стенках сосудов – так называемую биопленку, было известно давно. Поначалу биопленки просто раздражали ученых, не давая рассмотреть отдельно плавающие бактерии, ради исследования которых, собственно, и ставились эксперименты. Но более подробное исследование показало, что биопленка имеет весьма сложную структуру. Все бактерии способны формировать биопленки, и ученые полагают, что подавляющее большинство бактерий значительную часть жизни проводит именно в них. Биопленки образуют слизистый налет на стенке нашего кишечника, на речном и океанском дне и даже на дне пропитанных кислотами шахт по добыче руды.
Конечно, биопленок вокруг сколько угодно, но изучать их непросто. Для этого ученым пришлось отставить в сторону любимые колбы и чашки Петри и придумать совершенно новые методики экспериментов. Например, сделали специальные камеры с теплой проточной водой, имитирующие условия человеческого кишечника. При определенных условиях E. coliготова осесть где‑нибудь внутри камеры и начать сооружение биопленки. Дрейфуя по экспериментальной камере, часть бактерий оседает на дне. В обычных условиях они быстро отцепляются и плывут дальше, но иногда остаются на месте и устраиваются там жить. Некоторые эксперименты позволяют предположить, что решение об этом E. coliпринимает в том случае, если поблизости обнаруживаются другие особи. E. coliчувствуют своих собратьев по испускаемым ими химическим сигналам, причем используют для этого не только серин и другие отходы, но и особые молекулы, которые выполняют именно сигнальную функцию и могут при случае изменить поведение других E. coli.
Когда группа E. coliприступает к формированию биопленки, бактерии начинают с того, что образуют выросты – фимбрии, которые связывают их между собой и стягивают в единый плотный кластер. К первопоселенцам присоединяются другие, ранее свободно плавающие бактерии, и кластер постепенно растет. Бактерии начинают выделять внеклеточные полимерные вещества, заключая себя в так называемый матрикс. Сформировавшаяся биопленка вовсе не плоская. Она больше похожа на город с высокими башнями, широкими площадями и целой паутиной спутанных улиц. В процессе его строительства каждая бактерия должна включать и выключать сотни генов по сложной согласованной схеме. В некоторых отношениях биопленка E. coliнапоминает человеческое тело. Конечно, биопленка не имеет обыкновения вставать на ноги и бродить по улицам, но, подобно человеческим клеткам, клетки биопленки тоже образуют клеточные коллективы, члены которых выполняют разные функции и вместе работают ради общего выживания.
Ученые до сих пор не разобрались, для чего, собственно, E. coliсооружает биопленки, прикладывая значительные усилия. Чтобы участвовать в общем деле, отдельной бактерии приходится многим жертвовать и тратить огромную часть драгоценной энергии на производство внеклеточного полимерного вещества, которое соединяет его с другими микроорганизмами. Бактериям, оказавшимся глубоко в толще биопленки, намного труднее добывать пищу, чем свободно плавающим особям. Не исключено, однако, что преимущества биопленки перевешивают все ее недостатки. Так, биопленка может обеспечивать своих обитателей защитой. Она выдерживает резкие изменения окружающей среды. Вирусам, вероятно, сложнее проникнуть в биопленку, чем инфицировать отдельно живущую клетку. Антибиотики действуют на биопленки в тысячи раз слабее, чем на отдельные бактерии.
Возможно, биопленка позволяет бактериям объединить усилия в добывании пищи. Не исключено, что питательные вещества, попадая в плотную слизь биопленки, направляются затем по внутренним каналам к бактериям, лишенным выхода на поверхность. Кроме того, бактерии в биопленке могут сотрудничать через разделение труда. Микробы, живущие на поверхности, получают больше пищи и кислорода, чем обитатели внутренней части. При этом, однако, на них действует большее количество стрессовых факторов. E. coli,обосновавшиеся в основании биопленки, могут погружаться в состояние анабиоза, образуя что‑то вроде бактериального семенного фонда. Время от времени часть бактерий может отделиться от биопленки и уплыть прочь; какое‑то время они ведут свободную жизнь, а потом вновь обосновываются на стенке кишечника и строят новую биопленку.
Человек – самый общественный из всех биологических видов – прибегает к сотрудничеству не только при строительстве городов и ради помощи другим людям. Война с соседями тоже требует от народа серьезных согласованных усилий. В этом опять же жизнь E. coliотражает нашу социальную жизнь. Мы строим боевые ракеты и бомбы. E. coliпроизводит химическое оружие. Химические соединения под названием колицины смертоносны для микроорганизмов. Одни из них протыкают мембрану бактерии, как копьем, и выпускают наружу ее внутренности. Другие блокируют производство новых белков. Третьи разрушают ДНК.
Чтобы инициировать колициновую атаку, некоторые бактерии E. coliдолжны пожертвовать самым главным. Небольшая часть бактерий популяции за несколько секунд синтезирует и накапливает внутри себя сотни тысяч молекул колицина, превращаясь таким образом в настоящие склады оружия. У этих бактерий нет каналов, через которые они могли бы аккуратно выпустить подготовленные колицины наружу. Вместо этого они начинают производить особые самоубийственные ферменты, которые просто взрезают изнутри мембрану бактерии, вызывая взрыв. Колицины выплескиваются наружу, сталкиваясь с соседними бактериями. Однако близким родичам производителя колицины не страшны, потому что у них имеются гены, с помощью которых можно изготовить противоядие. Жертвуя собой, E. coliуничтожают конкурентов и расчищают пространство для жизни и успешного размножения своих клонов. Судя по всему, общественная жизнь E. coliпростирается за пределы жизни как таковой.
