Мир микроорганизмов окружает человека повсюду, оставаясь невидимым, но определяющим фактором для жизни на Земле. В рамках проекта Tech Support журнала WIRED известный американский микробиолог Дэн Бакли подробно ответил на вопросы пользователей интернета, развенчав популярные мифы и объяснив сложнейшие биологические механизмы. От амеб, пожирающих мозг, до межпланетных микробов и «темной материи» микробиологии — этот материал раскрывает самые интригующие тайны микромира.
🧠 Амебы-убийцы и секреты кишечных газов 0:13
В пресных водоемах Северной Америки действительно обитают смертельно опасные организмы. Речь идет об амебе Naegleria fowleri (Неглерия Фоулера). Как объясняет Дэн Бакли, заражение происходит в теплых регионах, например в Техасе или Мексике, когда человек прыгает в воду со скалы и поток воды под давлением попадает глубоко в нос. Сама амеба не эволюционировала для того, чтобы питаться человеческим мозгом, но, случайно попадая туда, она начинает активно размножаться. Ее деление приводит к образованию миллионов клеток, уничтожающих ткани хозяина, и такие случаи почти всегда летальны.
С другой стороны, жизнедеятельность микроорганизмов внутри человека носит куда более мирный, хотя порой и пахучий характер. Микробиолог утверждает, что газы (метеоризм) на 100% обусловлены активностью микробов, помогающих переваривать пищу. При расщеплении углеводов бактерии выделяют летучие жирные кислоты:
- пропионат;
- ацетат;
- бутират (масляная кислота).
Именно бутират отвечает за резкий неприятный запах, напоминающий долго стоявшую на улице урну с мусором. В норме эти кислоты всасываются клетками кишечника как источник энергии, но при дисбалансе системы из-за некачественной еды они выходят наружу. Кроме того, около трети человечества являются носителями метаногенов — архей, которые превращают водород и углекислый газ в метан. Наконец, при избытке белка в рационе бактерии вырабатывают сероводород, придающий газам характерный запах тухлых яиц.
📏 Вес микробиома и бактериальные гонки 2:22
Масштабы микромира сложно вообразить. На кончике обычной канцелярской иглы, диаметр которого составляет около 2 микрон, физически могут поместиться всего одна или две бактерии, так как средний размер бактериальной клетки также равен примерно 2 микронам.
При этом общее количество микробных клеток в теле человека примерно равно числу собственных клеток человеческого организма. Однако из-за того, что бактерии примерно в 1000 times меньше человеческих клеток, их совокупный вес составляет всего от 2 до 6 фунтов (примерно 1–3 кг). Этот показатель динамически меняется в течение суток. Дэн Бакли иронично замечает, что человеческие экскременты — это практически сплошная плотная масса микробов (за исключением случайных волокон кукурузы или листьев салата), поэтому после посещения туалета человек буквально теряет пару фунтов своей микрофлоры, которая затем быстро восстанавливается.
Если бы мы устроили забег микроорганизмов под микроскопом, абсолютным чемпионом стала бы бактерия Bdellovibrio bacteriovorus, чье название переводится как «извивающаяся пиявка, пожирающая бактерии». Ее скорость достигает 150 микрон в секунду. Если бы человек уменьшился до размеров этого микроба, его скорость была бы эквивалентна 600 милям в час (около 965 км/ч), что сопоставимо со скоростью реактивного автомобиля. В пресноводных водоемах этот стремительный хищник преследует другие бактерии, чтобы атаковать их. Разглядеть их в обычный микроскоп крайне трудно — ученым приходится добавлять в среду вязкие вещества, чтобы искусственно замедлить их движение.
🐺 Бактерии-хищники и искусство навигации 4:09
Мир бактерий полон жестокой конкуренции. Дэн Бакли подтверждает, что в природе существует огромное количество хищных микроорганизмов. По типу охоты они делятся на несколько категорий:
- Миксококки (Myxococcus): Охотятся организованными «волчьими стаями». Они общаются друг с другом с помощью сигнальных молекул, координируют окружение жертвы и совместно выделяют ферменты, растворяющие ее.
- Эпибиотические хищники (например, Vampirovibrio): Действуют как вампиры — прикрепляются к внешней стороне клетки-жертвы и буквально высасывают ее цитоплазму.
- Внутриклеточные разрушители (Bdellovibrio): Самый жуткий тип. Бактерия находит цель, пробивает клеточную стенку жертвы, проникает внутрь и начинает там реплицироваться, создавая от 8 до 12 новых клеток. Когда ресурсы истощаются, молодые бактерии буквально взрывают родительскую клетку изнутри и разлетаются в поисках новых жертв.
Поскольку у бактерий нет глаз и ушей, их перемещение подчинено строгому химическому алгоритму — хемотаксису. Они совершают так называемое «смещенное случайное блуждание» (biased random walk). Постоянно оценивая концентрацию питательных веществ, микроб движется вперед, если условия улучшаются. Если же концентрация падает, бактерия начинает хаотично вращаться («кувыркаться»), меняя вектор движения на случайный.
Для передвижения используются жгутики (stiff helical flagella), которые вращаются как пропеллеры. Когда бактерии нужно совершить рывок, несколько жгутиков сплетаются в единый прочный канат, выстреливая клетку вперед. Некоторые виды используют скольжение (gliding), прикрепляясь к поверхностям мизерными «присосками» для перемещения в поисках идеальной температуры, солености и света.
🧟 Реальные зомби-угрозы: кордицепс против бешенства 6:33
Популярная массовая культура, включая сериал и игру The Last of Us, популяризировала концепцию зомби-грибка, прорастающего из головы человека. Гриб кордицепс (Ophiocordyceps) действительно существует и превращает насекомых в послушных зомби, подчиняя их нервную систему для наилучшего распространения своих спор. Однако Дэн Бакли успокаивает: насекомые — холоднокровные существа, чья физиология кардинально отличается от человеческой, поэтому эволюционный скачок кордицепса на людей крайне маловероятен.
Если и говорить о реальной «зомби-инфекции» среди людей, то главным кандидатом выступает вирус бешенства (rabies). Передающийся через укус вирус поражает головной мозг и вызывает у инфицированного агрессию и непреодолимое желание кусать других для дальнейшего распространения патогена. Человечество не превратилось в мир зомби лишь благодаря созданию эффективных и доступных вакцин.
🦠 Главные страхи микробиолога: птичий грипп и супербактерии 7:24
На вопрос о том, какой микроорганизм пугает ученого сильнее всего, Бакли без колебаний называет птичий грипп (Avian influenza). В настоящее время среди птиц в Северной Америке бушует полноценная пандемия, уничтожающая поголовье кур и индеек на фермах. Опасность для человечества заключается в механизме генетической рекомбинации. Если птичьим гриппом и обычным сезонным человеческим гриппом одновременно заразится один человек (или животное), штаммы могут обменяться фрагментами РНК. В результате возникнет абсолютно новый вирус, к которому у населения планеты не будет иммунитета, что может повторить катастрофу испанского гриппа 1918 года, унесшего жизни более 40 миллионов человек.
Другой глобальной угрозой остается резистентность к антибиотикам. Сами антибиотики были придуманы не людьми: сотни миллионов лет почвенные грибы и бактерии вырабатывали их для ведения непрерывных войн друг с другом за ресурсы. В 1930–1940-х годах Александр Флеминг открыл пенициллин (выделяемый грибом Penicillium), а почвенный микробиолог Зельман Ваксман обнаружил стрептомицин.
Однако за эпохой триумфа медицины последовал ответный шаг эволюции бактерий. Через механизм горизонтального переноса генов (horizontal gene transfer) патогенные бактерии обмениваются друг с другом защитными генами, словно «созваниваясь по мобильной связи».
Сегодня мультирезистентный золотистый стафилококк (MRSA) стал бичом больниц, вызывая тяжелейшие инфекции. Единственный способ борьбы с этим — замедление темпов эволюции патогенов путем строго контролируемого и рационального использования антибиотиков.
🚀 Экстремофилы: жизнь в жерле вулкана и радиационный иммунитет 10:56
Бытует мнение, что микроволновки нужно тщательно мыть, чтобы уничтожить радиационно-стойких бактерий-мутантов. Дэн Бакли опровергает этот миф: мыть СВЧ-печь нужно из-за банального скопления гниющей пищи, а живущие там бактерии (стафилококки, бациллы и псевдомонады) переносятся с кухонной губки и погибают при нагревании.
Тем не менее в природе существуют настоящие супергерои — экстремофилы:
- Deinococcus radiodurans: Сверхстойкая бактерия, выдерживающая до 5000 Грей радиации (для человека смертельна доза всего в 5 Грей). Эксперименты NASA подтвердили, что этот организм способен годами выживать в открытом космосе.
- Pyrococcus furiosus: Термофильный микроорганизм («яростный огненный шар»), который живет при температурах выше точки кипения воды. Это возможно на дне океана у вулканических гидротермальных источников, где под колоссальным давлением вода не превращается в пар при $100^\circ\text{C}$.
- Ацидофилы: Живут в кислых шахтных стоках при pH 0.5, что соответствует чистой серной кислоте, в которой железный гвоздь растворяется на глазах.
🧭 Магнитные компасы и бактерии размером с волос 13:46
Удивительным открытием для многих становится существование магнитотаксисных бактерий. Внутри их цитоплазмы содержатся крошечные цепочки магнитов (магнитосомы), выполняющие роль компаса для выравнивания вдоль магнитных линий Земли. Поскольку планета круглая, вектор магнитного полюса направлен не просто на север, а под наклоном вниз.
Плывя «на север», бактерии фактически погружаются глубже в донные отложения, где нет губительного для них избытка кислорода, а плывя «на юг» — поднимаются к воде. Европейские ученые даже провели шуточный эксперимент: подключили манипулятор магнитным полем к старому контроллеру от приставки Nintendo и заставили бактерий «танцевать» под музыку, записав это на видео.
Долгое время считалось, что бактерии невозможно увидеть невооруженным глазом. Однако обнаруженная около двух лет назад в мангровых зарослях бактерия Thiomargarita magnifica перевернула научные представления. Ее длина достигает 2 см при диаметре около 50 микрон, что делает ее сопоставимой по толщине с человеческим волосом — ее вполне можно взять в руки.
🧼 Где живут самые опасные микробы: поручни метро против кухонной губки 14:51
Общественный страх перед поручнями в метро во многом преувеличен. Микробам критически необходима влага. Металлические и пластиковые поручни — гладкие и сухие, поэтому бактерий там крайне мало. Большинство обнаруживаемых там организмов попадает со слущивающимся эпителием кожи пассажиров. Чаще всего это бактерии рода Staphylococcus (включая Staphylococcus aureus — золотистый стафилококк, получивший имя за характерный цвет колоний на чашках Петри), а также спорообразующие почвенные бациллы (Bacillus subtilis, Bacillus megaterium), способные выживать в сухой среде веками. Экран мобильного телефона или планшета по той же причине чище, чем сиденье унитаза.
Настоящие рассадники бактериальной жизни в доме — это:
- Клавиатура компьютера: В зазорах между клавишами скапливаются чешуйки кожи и пыль, служащие отличным кормом.
- Кухонная губка или тряпка для мытья посуды: Самое грязное место в жилье. Она постоянно влажная, пористая (огромная площадь поверхности) и полна остатков пищи. Губки необходимо регулярно дезинфицировать и часто менять.
- Фильтр аквариума: По биологическому разнообразию Дэн Бакли сравнивает его с тропическим дождевым лесом.
🐱 Паразиты, кошачий лоток и тихоходки-супергерои 16:25
Среди микроскопических многоклеточных эукариот выделяются знаменитые тихоходки (tardigrades). Они обладают уникальной формой тела и выдерживают экстремальные условия за счет процесса полной десикации (высушивания). Стоит добавить к высушенной тихоходке каплю воды, как она мгновенно оживает и возвращается к активности.
Менее приятным, но крайне хитрым микроорганизмом является внутриклеточный паразит Toxoplasma gondii. Беременным женщинам строго запрещено убирать кошачьи лотки, так как цисты токсоплазмы способны преодолевать плацентарный барьер, вызывая поражения эмбриона и выкидыши. Жизненный цикл этого паразита включает мышей и кошачьих.
Попадая в мозг мыши, токсоплазма кардинально меняет ее поведение: грызун теряет страх перед запахом кошачьей мочи и сам ищет встречи с хищником. Кошка съедает бесстрашную мышь, паразит размножается в ее кишечнике и выделяется с экскрементами. Чтобы обезопасить себя, Бакли рекомендует держать кошек исключительно дома и поручать чистку лотка другим членам семьи.
💩 Фекальная трансплантация и управление нашими желаниями 19:52
Гипотеза о том, что кишечная микрофлора способна вызывать у нас непреодолимую тягу к сладкому или фастфуду, находит научное подтверждение. Бактерии в толстом кишечнике расщепляют растительную пищу, которую человек не способен переварить самостоятельно. В процессе они выделяют метаболиты и сигнальные молекулы, схожие по структуре с гормонами человека. Они попадают в кровоток и способны напрямую влиять на чувство голода, насыщения и даже настроение. Эксперименты на мышах четко доказали, что смена состава микробиома кардинально меняет пищевое поведение и привычки. Если перестать питаться «мусорной едой», бактерии-любители сахара попросту вымрут от голода, и тяга исчезнет.
Иногда баланс микрофлоры нарушается настолько сильно (например, после агрессивного курса антибиотиков), что в кишечнике начинает доминировать опасный патоген — Clostridium difficile (C. diff). Эта бактерия ведет себя как инвазивный сорняк, вызывая тяжелейшую диарею, и часто устойчива к лекарствам, что может привести к смерти пациента.
Самым эффективным методом лечения на сегодня признана фекальная трансплантация (fecal transplant). Биоматериал здорового донора (обычно родственника) смешивают в блендере со физраствором до состояния суспензии и вводят пациенту через зонд или колоноскоп. Полноценный здоровый микробиом моментально подавляет популяцию C. difficile, возвращая пациенту здоровье.
🧪 «Темная материя» микробиологии и жизнь на Марсе 21:57
Помимо практической медицины, микробиологи занимаются глобальным мониторингом и предсказанием пандемий. Дэн Бакли отмечает, что еще 20 лет назад коронавирусы входили в топ-5 самых опасных потенциальных угроз, поскольку ученые знали о способности вирусов летучих мышей преодолевать межвидовой барьер. Именно эти фундаментальные наработки позволили создать вакцину от COVID-19 всего за один год.
Поражают и расчеты плотности микроорганизмов в почве. В скромном садовом участке площадью 10 кв. метров и глубиной всего 10 см содержится около 12 миллионов граммов почвы. Учитывая, что в 1 грамме здоровой земли живет около 1 миллиарда ($10^9$) бактерий, суммарно в этом объеме находится порядка $1.2 \times 10^{16}$ бактериальных клеток. Если выстроить их в одну линию (при длине каждой в 1 микрон), получится цепочка длиной 10 миллиардов метров — этого достаточно, чтобы дотянуться до Луны и обратно около 30 раз.
Именно микроорганизмы сделали Землю пригодной для людей. Около 70% всего кислорода на планете вырабатывается микробами (в первую очередь древнейшими цианобактериями), в то время как на все наземные растения приходится лишь около 30%.
При этом человечество находится лишь в самом начале пути исследования микромира. Из миллионов видов учеными описано не более 10 000 – 20 000. Подавляющее большинство бактерий невозможно вырастить на стандартных чашках Петри в лаборатории. С развитием технологий секвенирования ДНК (метагеномики) исследователи обнаруживают миллиарды генов, не похожих ни на один известный вид. Это явление биологи назвали «микробной темной материей» по аналогии с астрономической темной материей, формирующей вселенную, но невидимой для телескопов.
Напоследок Дэн Бакли делится профессиональным секретом: опытные микробиологи умеют узнавать некоторые бактерии по запаху. Например, колонии Pseudomonas (псевдомонады) при открытии чашки Петри отчетливо пахнут виноградным желе. А исследуемые ученым почвенные бактерии Streptomyces выделяют органическое соединение геосмин. Именно его улавливает человек, когда выходит на улицу после дождя и наслаждается неповторимым «запахом сырой земли».
