Текст книги "Союз на всю жизнь"

Глава 6
Краткая история микробиологии

После их открытия бактерии вначале считались просто забавными существами. Лишь позднее они были наделены своей дурной репутацией. Сегодня они призваны спасать мир.

О том, что мир крайне малого, микроскопически малого, достаточно оживленный, людям известно еще с тех пор, как появились первые микроскопы.

В семидесятые годы XVII века в нидерландском городе Дельфт один человек по имени Антони ван Левенгук в любую свободную минуту смотрел сквозь свой самодельный увеличительный аппарат. Это был один из первых таких приборов. Ван Левенгук был городским служащим и торговцем сукном. Ученый смастерил увеличительную линзу, чтобы иметь возможность лучше оценивать качество товара.

Тем самым его можно было бы отметить как одного из основателей материаловедения. Однако он считается основателем микробиологии. Поскольку, кроме твида и льна, он также осматривал еще кое-что: воду в пруду, например, или свой зубной налет. Лучшая линза, которую он шлифовал, увеличивала почти в 500 раз. В комбинации с его очевидно зоркими глазами этого было достаточно, чтобы увидеть и начертить кишащую массу животных и растительных одноклеточных организмов, а также большие бактерии{44}44
  Мейер (Meyer): Тайны Антони ван Левенгука (Antoni van Leeuwenhoek). Издание Pabst Science Publishers, Ленгерих 1998.


[Закрыть].

В 1676 году он отправил Лондонскому королевскому обществу краткое содержание своих наблюдений, дополненное рядом чертежей. Это привлекло посетителей в Дельфту. Заочно никто не мог поверить, что микрокосмос по ту сторону человеческого зрачка полон жизни. Нескольких взглядов через дельфтские линзы стало достаточно, чтобы убедить даже самых больших скептиков. Сам русский царь присутствовал там и придерживался строгого предписания торговца сукном «Смотреть только глазами, а не руками».

Был открыт новый мир. Одним из первых микробиологических открытий стало обнаружение группы крошечных существ, обитающих в зубном налете. Затем другой пионер микроскопии, англичанин Роберт Гук, обнаружил, что растения сформированы из клеток, и первым письменно изложил невероятный на то время тезис о «клеточной жизни».

О том, что в воде, на коже, в животных или человеческих выделениях, в дыхании, при кашле существует что-то хотя и невидимое для человеческого глаза, но довольно активное и могущественное, люди догадывались, разумеется, уже давно, столетиями, тысячелетиями.

В долине реки Инд в Пакистане уже примерно за 2800 лет до начала христианского летоисчисления были туалеты. На Оркнейских островах в Северной Атлантике есть подобные находки тех же времен. Построены они были наверняка по гигиеническим причинам. О том, что больные проказой были изолированы и контакт с ними считался вредным, говорится не только в Библии. Однако о том, были ли крошечные существа, которые делали контакт с фекалиями или некоторыми больными опасным, не знал никто. Даже в Библии о них ничего не было сказано.

Ван Левенгук открыл науке мир бактерий, живущих в и на человеке. Именно о них идет речь в этой книге. Несмотря на это, его опыты никого не натолкнули на мысль о том, что под увеличительным стеклом обитают самые настоящие труженики, важные для здоровья человека, или возбудители заболеваний. Для этого они, впрочем, действительно были немного маловаты.

Некоторые заболевания очень заразны. Почему, до сих пор неизвестно.

Инфекционные заболевания, вызывающие недомогание, со временем не перевелись. Их стало больше, и прежде всего там, где люди существовали в ограниченном пространстве. Избегание и изоляция больных были библейской, жестокой и зачастую лишь умеренно успешной стратегией.

В Средневековье в исламских странах врачевание было более инновационным и прогрессивным как в академической области, так и в области народной медицины. В Османской империи, например, практиковалась процедура, которую западные наблюдатели вскоре назвали вариоляцией, что по-немецки означает «pickelung» («бугристость»). Из оспенного гнойника пациента, у которого заболевание протекало медленно, брали неаппетитное содержимое и наносили на расцарапанный участок кожи здорового человека. Жена британского посла в Константинополе, леди Мэри Уортли Монтегю, узнала о такой практике в начале XVIII века. Она была настолько впечатлена результатами внедрения этого метода, что подвергла вариоляции своих собственных детей и, вернувшись в Лондон, настояла на том, чтобы там начали делать прививки таким же способом.

Истоки профилактики инфекций находятся намного древнее и западнее. В Индии они могли практиковаться уже примерно с 1500 года до нашей эры. Если верить трудам врача второй половины XVIII века Джона Зефаниа Холуэлла, из них следует убеждение о том, что микроорганизмы являются возбудителями оспы и других заболеваний. Холуэлл в 1776 году, спустя сто лет после того, как Ван Левенгук написал свое письмо в Лондон, сообщая о том, что «неисчислимые множества не воспринимаемых микроскопических организмов, которые витают в атмосфере» считались там возбудителями многих эпидемий, однако прежде всего оспы.

Приблизительно в тот же период времени в текстах династии Цин в Китае встречаются детальные описания. Первые достоверные источники еще более ранние, восходят к 1549 году и говорят, что прививки делали в Китае уже в X веке. А Вольтер в 1733 году пишет о том, что народы Северного Кавказа практиковали метод, который они называли «инокуляция», еще с незапамятных времен.

У индийских, китайских и турецких процедур было кое-что общее: принцип использования материала заболевания с легким течением и втирание его в кожу. Именно это отличало смертельно опасное заболевание от прививки. Не зная этого, они применяли менее опасный из двух штаммов вируса и инфицировали им небольшой участок локально ограниченной ткани на коже, тогда иммунная система в большинстве случаев могла организовать защиту от оспы на протяжении всей жизни без побочных эффектов.

Леди Монтегю в девичестве обладала бесподобной красотой, но в возрасте 26 лет она перенесла оспу, из-за чего приобрела обильное количество рубцов. Именно ей мы так или иначе обязаны тем, что прививка от оспы появилась в Центральной Европе. Она спасла жизни несметному числу людей, а многим женщинам – их красоту, но процедура не была безопасной. Примерно три процента умирали, многие болели неделями. Это изменилось только тогда, когда Эдвард Дженнер проложил путь вакцинации.

Если вариоляцию называют «бугристостью», тогда вакцинацию (от лат. «variola vaccinia») можно перевести как «коровья оспа». Эдвард Дженнер пошел другим путем. Его метод заключался в том, что он использовал для прививки не человеческую оспу, а едва ли вызывающую заболевание у людей коровью оспу. Сегодня ясно, что такие вирусы похожи на вирусы оспы, чтобы достаточным образом подготовить иммунную систему человека к инфекции. Дженнер ничего не знал о вирусах и антителах, он знал только, что доярки зачастую болели молочной оспой, благодаря чему в большинстве случаев имели иммунитет{45}45
  Узелками доильщиц называют гнойные язвы, которые образуются на руках и кистях при заболевании вирусом коровьей оспы.


[Закрыть].

Вирусы, намного меньшие, чем микроскопические бактерии, были первыми микроорганизмами, с которыми научилась эффективно бороться современная медицина.

Однако это произошло без каких-либо знаний об общей взаимосвязи. Люди уже на протяжении многих веков или тысячелетий используют микроорганизмы – делая йогурт или квашеную капусту с использованием бактерий, ферментируя чайный гриб посредством микробного раствора или изготавливая пиво или вино из дрожжевых клеток, не зная о том, что они заставляют микроорганизмы работать на себя.

Причина, по которой мы до сегодняшнего дня, если речь заходит о бактериях или вирусах, не предполагаем приятных новостей, заключается в том, что история микробиологии лишь с недавних пор является историей интенсивного поиска и обнаружения достоинств микроорганизмов. Это началось с оспы, продолжилось туберкулезом и холерой и до сих пор не останавливается на боррелиозе и всех вирусах гриппа с их пронумерованными штаммами Hs и Ns.

Бактерии + вирусы = болезнь. Это не заблуждение, но уже сегодня становится понятно, что это только одна сторона медали. Полезной медицинской микробиологии по сравнению с вредоносной медицинской микробиологией по-прежнему необходимо прогрессировать.

Пришедшую из Индии точку зрения о том, что «неисчислимые множества невоспринимаемых микроскопических организмов» могут вызывать заболевания, в какой-то момент времени начали защищать также некоторые западные ученые. Итальянский ученый-любитель Агостино Басси пришел к такому выводу, наблюдая болезни не человека, а насекомого. Однако на тот момент очень значимого в научном плане. Басси исследовал гусениц шелкопряда, которых убивала странная болезнь. Животные покрывались порошком белого цвета и погибали. Целые фермы во Франции и Италии в связи с этим с начала XIX века раз за разом несли катастрофические потери.

Спустя 25 лет после того как он посвятил себя изучению данной темы, Басси опубликовал свои выводы о том, что стимулятором заболевания является организм и оно является заразным{46}46
  Bassi: Del Mal del Segno, Calcinaccio o Moscardino, 1835, доступно online (ит.) по ссылке http://biochimica.bio.uniroma1.it/bassi1f.htm .


[Закрыть]. Он рекомендовал производителям шелковых тканей помимо прочего простую гигиену, а также постоянно вести тщательное наблюдение за своими запасами, удалять животных с признаками заболевания, минимизировать контакты между гусеницами. Стратегия оказалась успешной, а сеньор Басси стал знаменитым.

Он не знал, что заболевание вызывалось и переносилось грибком и что порошок белого цвета состоял из многих тысяч спор. Однако он был уверен в том, что в данном случае он встретился не со странным промахом природы, а с универсальным феноменом, который в одинаковой мере затрагивает растения, животных и людей. Он предположил, что многие заболевания имеют причиной переданные тем или иным образом микроскопические организмы.

Тем, кто сейчас ожидает, что теперь на сцене наконец-то появятся Роберт Кох и Луи Пастер, следует проявить чуточку терпения. Поскольку даже у них были свои предшественники и наставники. В случае Коха, например, это был Якоб Генле. Он, с одной стороны, был в Берлине учеником известного ученого, основателя научной зоологии Иоганна Мюллера, и сделал массу открытий в области анатомии. С другой стороны, он обнаружил, что Басси был прав, и на основе его идей разработал научную универсальную концепцию «микробной теории» заразных болезней, которую в 1840 году изложил в статье «О миазмах и заразных началах».

Почти в то же время в Вене врач Игнац Земмельвейс пришел к вполне практическому выводу о том, что врачам после вскрытия не следует перемещаться в родильный зал, не помыв руки и не переодевшись, поскольку в противном случае они могут передавать родильную лихорадку. Это сработало, уровень смертности в родильном отделении упал на две трети. Его идея была настолько инновационной, что он немедленно был уволен, так как подобные туалетные предписания воспринимались в качестве богохульства.

Переместимся из мирового города Вены в небольшой провинциальный городок Велльштайн. Он находится недалеко от города Познань в современной Польше. В 1870-х годах там занимался практикой известный доктор Роберт Кох. Молодой врач учился у Якоба Генле в Геттингене и был впечатлен его теорией о том, что инфекционные заболевания вызываются микроорганизмами.

Так считали многие. Однако Коху в свободное от работы в общей врачебной практике время удалось найти доказательство. Он скрупулезно исследовал сибирскую язву, изолировал и описывал палочковидные бактерии, которые находились в крови у пораженных инфекционной болезнью животных, выращивал их в питательных растворах и с помощью них снова вызывал заболевание у экспериментальных животных.

Его статья «Этиология сибирской язвы на основе развития возбудителя сибирской язвы Bacillus anthracis» 1876 года стала решающим переломным моментом в истории микробиологии. Она представляла собой не только первое строгое научное свидетельство наличия микробного возбудителя заболевания, поражающего животных и людей. Ей также сопутствовала настоящая революция в методологии – от специальных техник для окрашивания и препарирования бактерий и микрофотографий микробов вплоть до выделения и разведения микроорганизмов в специальных питательных средах. Ботаник Фердинанд Кон после этого начал систематизировать виды и группы бактерий. В 1875 году именно он впервые применил родовое название Bacillus. Так он стал «отцом бактериологии».

Затем события в микробиологии пошли одно за другим. Роберт Кох организовал свой собственный институт в Берлине, Луи Пастер – свой в Париже.

Кох открыл бациллу туберкулеза и возбудителя холеры, Пастер разработал прививки с живыми возбудителями против таких болезней, как сибирская язва и бешенство.

Спустя пару лет два американца по имени Салмон и Смит установили, что для иммунизации достаточно даже мертвых микроорганизмов. Фанни, жена саксонского врача Вальтера Хессе, обнаружила, что гелеобразующее вещество агар отлично подходит для того, чтобы выращивать на нем бактерии. Ассистент Коха Рихард Петри изобрел названные его именем чаши, используемые по настоящее время в каждой лаборатории, изготавливаемые первоначально из стекла, сегодня из пластмассы. В 1882–1884 годах украинец Илья Мечников обнаружил сначала у морских звезд, а затем у позвоночных животных клетки, которые пожирали бактерии и другие инородные тела. Пауль Эрлих в то же время описывал влияние антител на защиту от болезней. Они стали открывателями важнейших компонентов иммунной системы и были первыми, кто выявил, что между животными и человеческими организмами существуют активные взаимодействия.

Даже смертельное действие, которое оказывают некоторые грибные культуры на бактерии, было описано уже в 1874 году английским врачом Уильямом Робертсом. Однако прошло еще почти семьдесят лет, до тех пор пока с помощью пенициллина и стрептомицина были произведены первые добываемые из таких грибов антибиотики. Вскоре такие возбудители болезней, которые не могли быть выцежены из жидкостей при помощи фильтров тонкой очистки, были определены как «вирусы», несмотря на то что выявить первый вирус под ультрафиолетовым микроскопом удалось лишь в 1925 году.

История микробиологии до Роберта Коха характеризуется сильным размахом. Было важно, какую роль микроорганизмы играют для человека. Если во времена Левенгука они считались просто любопытными организмами из-за крошечных размеров, но абсолютно несущественными для повседневной жизни, то к концу XIX века они стали чем-то совершенно иным. Врагами, злодеями, болезнетворцами, вредителями, которых необходимо уничтожать. Этой борьбе ученые уделяли много внимания. Среди них был Пауль Эрлих, который в 1912 году в Берлине открыл первый специфический медикамент сальварсан, действующий против инфекционной болезни сифилис. Кроме одноклеточных организмов, которые в то время были определены как продуценты пива, вина и квашеной капусты, вряд ли кому-нибудь придет в голову хотя бы одно исключение. Есть мнение о том, что инфицированное считается нездоровым, стерильное, напротив, если уж не хорошим, то все же по крайней мере – безопасным, собственно, до сих пор не многое изменилось. Слово «антибактериальный» по-прежнему один из самых убедительных коммерческих аргументов для продажи мыла и чистящих средств любого рода.

О том, что бактерии и другие микроорганизмы могут быть вполне полезными, ученые узнали очень скоро после того, как Сергей Виноградский примерно в 1890 году объяснил круговорот азота в природе и определил однозначную роль, которую почвенные бактерии играют для естественного азотного удобрения. В рамках своих исследований он также обнаружил бактерии, которые могли получать энергию из железистой соли, сероводорода или аммиака. А в 1907 году Мечников годом позднее получил Нобелевскую премию за свои открытия в области иммунных исследований. Ученый предположил, что бактерии, которые попадают в кишечник человека с пищей, полезны и продлевают жизнь (подробнее см. в главе 18).

Наибольшей пользой для ученых, исследующих микроорганизмы, немного погодя стала их пригодность в качестве предмета изучения и инструмента наблюдения. Это довольно маленький, недорогой, легко доступный, манипулируемый, быстро растущий экспериментальный материал. На них можно было отрабатывать проблемы биологии – например, вопросы сексуальности, обмена веществ, экологии, генетики мутации и изменчивости.

Уже в 1900 году Мартин Бейеринк предположил, что бактерии и грибы гораздо лучше подходят для того, чтобы исследовать закономерности наследования, чем растения или животные. Он основал в Делфте – родном городе Левенгука – нидерландскую школу микробиологии. Там при помощи биохимических методов начали проводить исследования жизненных процессов, ферментативных действий и закономерностей наследования микроорганизмов. В Калифорнии в 1936 году благодаря перекрестным исследованиям гриба рода Neurospora были открыты первые генетические карты. Инфицирующие бактерии вирусы, так называемые фаги, пару лет спустя позволили шагнуть вперед в вопросах молекулярной генетики. Кульминацией стала расшифровка структуры ДНК Джеймсом Уотсоном, Фрэнсисом Криком и Розалинд Франклин в 1953 году. После этого бактерии и их генетический материал стали важнейшим объектом исследований таких генетиков, как Жак Моно Франсуа Жакоб и многих других, которые по ним мало-помалу изучали, как организованы гены и каким образом они управляются.

Но в какой-то момент времени микробы в научных исследованиях все больше выходили из моды. В 1979 году оспа официально была объявлена искорененной. Почти за десять лет до этого Уильям Г. Стьюард, начальник медицинской службы США и вместе с тем главный врач страны, огласил, что тему инфекционных заболеваний теперь можно закрыть. То, что считалось действительным со времен Бейеринка на протяжении почти ста лет, а именно что микробы были одновременно значимыми возбудителями заболеваний и хорошими экспериментальными организмами, теперь больше не являлось достаточным. Вместо бактерий теперь следовало изучать эукариотов – организмы с клеточными ядрами. Вместо простейших организмов теперь стало возможным исследовать многоклеточные, лучше всего человеческие клетки. Даже самые авторитетные исследователи, которые должны быть благодарны микроорганизмам за свою популярность, например исследователь ДНК Джеймс Уотсон, обратились к ним, к примеру, с целью успешно победить рак. В 90-х годах практически каждый заведующий кафедрой микробиологии и генетики в Германии подчеркивал, что все меньше занимается бактериями и все больше – культурами «высших» клеток. На рубеже тысячелетий была опубликована расшифровка человеческого генома, сделанная ученым Крейгом Вентером.

Однако расшифровку генома человека на этом этапе нельзя было считать абсолютным успехом, поскольку полученные знания сложно было применить в конкретных методах терапии.

Более или менее в тени бума эукариотов и многоклеточных организмов несколько микробиологов все же не отстранялись от своих бактерий и разрабатывали методы, которые открыли перед наукой совершенно новые возможности. Карл Везе совместно с коллегами в 1980 году произвел переворот в изучении микроорганизмов без клеточного ядра. Ученые обнаружили, что одной части наследственного материала клеточного механизма достаточно, чтобы объяснить родственные связи между микроорганизмами. Такая часть называется 16S-рРНК. В клетках она выполняет обязанности катализатора при производстве протеинов и подходит намного лучше, чем, например, любое микроскопическое объединение, для того чтобы различать виды, роды и так далее. К исследованиям в 1980-х годах присоединился разработанный Кэри Муллисом метод полимеразной цепной реакции, с помощью которой можно было воспроизводить даже самые крошечные частички наследственного материала и тем самым делать их доступными для анализа. Итак, впервые стало возможным заполучить те бактерии, которые не поддавались разведению в чашках Петри, вернее их наследственный материал. Их было больше всего. Микробиологи до этого открытия были ограничены в том, чтобы исследовать те микроорганизмы, которые также зарождались в чашках. Все остальные, которые выдвигали другие требования, для того чтобы делиться и расти, оставались почти полностью недоступными для изучения. К последним относилась большая часть ротовых, желудочных и кишечных бактерий, и между тем обнаруживается, что многие из-за этого попросту не поддавались культивированию по отдельности, поскольку для жизни им требовались другие бактерии.

Такие «культуронезависимые» техники, к которым вскоре добавились еще и другие, которые звучат как гибридизация in situ, T-RFLP или пиросеквенирование, открыли микробиологии и изучению эукариотов абсолютно новые пути.

Везе в рамках этих методов после многолетней кропотливой работы пришел к такому выводу.

То, что раньше считалось царством бактерий, на самом деле состоит из двух больших групп, бактерий и архей{47}47
  Woese et al.: Towards a natural system of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. PNAS. Том 87. С. 4576, 1990.


[Закрыть].

Их 16S-рРНК отличаются друг от друга даже сильнее, чем в случае с бактериями и обладающими клеточными ядрами многоклеточными организмами. Великой иронией истории развития науки стало то, что умерший в 2012 году 84-летний Везе, скрупулезный работник, перевернувший всю биологическую систематику, не получил ни одной Нобелевской премии, Муллис же – наоборот. Его метод по размножению наследственного материала, должно быть, открылся ему под воздействием наркотических веществ. Практическое осуществление его идеи он предоставил другим ученым, а в остальном он не мог похвастаться большими научными достижениями.

Новые методы, с одной стороны, и разочарование по поводу конкретных, применимых в терапии результатов изучения генома человека, мыши и других грызунов, с другой стороны, привели к тому, что сегодня мы снова возвращаемся к изучению бактерий. Крейг Вентер, например, в 1995 году начал свою карьеру генетика с генетического секвенирования бактерии Haemophilus influenzae. Это было первым секвенированием полного генома в принципе. Именно Вентер осуществил практические поиски бактерий, их генов и действий этих генов. Решение проблем человечества он видит не в расшифровке человеческого генома, а в бесконечно многих геномах бактерий на суше, в воде и в воздухе, от борьбы с болезнями вплоть до обеспеченности питанием, энергией и даже в утилизации мусора.

Это только начало эпохи исследования микробов, ведь только сейчас постепенно проясняется, что они господствуют повсюду: и на суше, и на воде, и в воздухе. Довольно перспективным становится изучение жизненного пространства микробов. Объектом изучения стал сам человек, его кожа, его естественные отверстия и главное – его пищеварительный тракт. Его второй геном.

Почти через 350 лет, после того как Антони ван Левенгук впервые увидел через свои суперлинзы «микроскопические организмы», а среди них бактерии, мы наконец-то начали осознавать их настоящее значение, их комплексное взаимодействие с нами и окружающей средой.

Свойственный человеческой точке зрения их дуализм оздоровительного и болезнетворного, полезного и опасного – центральная тема их изучения. Это – одна ось хорошего и плохого. И иногда одна-единственная бактерия соединяет все это в себе. Об этом и пойдет речь в следующей главе.