Александр Шувалов – Микроб гениальности глазами микробиолога и психиатра. Междисциплинарное путешествие (страница 6)
Прошло несколько миллиардов лет, и лик Земли преобразился до неузнаваемости. Воцарилось относительное сейсмическое спокойствие. Материки и омываемые ими воды наполнились разнообразной жизнью. Изменился и газовый состав атмосферы. Теперь в нем преобладает азот (78%), на долю свободного кислорода приходится 21% и другие газы (углекислый в том числе) составляют 1%. Ученые считают, что современный газовый состав атмосферы сформировался всего-то 50 миллионов лет назад. Согласитесь, что по историческим меркам это не так давно. Но откуда в первичной атмосфере взялся кислород?
Ответ на этот вопрос хранят окаменелые образования – строматолиты. Это «постройки», созданные сообществами (колониями) древнейших жителей нашей планеты. Считают, что около 3,5 млрд лет назад именно цианобактерии или синезеленые водоросли и некоторые другие бактерий были «архитекторами» этих удивительных «строений». Строматолиты имеют различную форму и структуру, состоящую из чередующихся органических слоев (останков сообщества древних бактерий) и минеральных отложений. Такие «строения» появлялись на дне мелководных водоемов. Строматолиты обнаруживают в осадочных породах Австралии, Гренландии, в Южной Африке, Сибири, Казахстане, Киргизии, и других местах планеты.
Рис. 1.7. Фотографии строматолитов (Van Kranendonk M. J., 2011)
Древние бактерии оказались не только умелыми строителями, но и снискали себе славу изобретателей. Оказывается, именно цианобактерии были первооткрывателями кислородного фотосинтеза! Они научились преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей, выделяя при этом КИСЛОРОД.
Рис. 1.8. Протерозойские строматолиты, северная Сибирь (Бабкин А., 2014)
А ведь сначала фотосинтез был только бескислородным (кстати, многие современные бактерии и археи7 до сих пор с его помощью получают органические вещества). Вырабатываемый ими кислород поглощался земной корой и водой мирового океана, где происходили интенсивные процессы окисления и образование новых веществ. Излишки молекулярного кислорода выделялись в атмосферу. Процесс формирования атмосферы с современным газовым составом происходил довольно долго. Только около 1.5 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного уровня. Что обеспечило условия для появления более высокоразвитых существ, в том числе и нас с вами. Вот о чем говорили бактерии поздним вечером в лаборатории. Так что не стоит пренебрежительно относиться к этим крошечным существам. Подумать только, что могут сделать трудолюбие и время!
Итак, в атмосфере уже появился свободный кислород, но еще долго единственными жителями нашей планеты были бактерии и вирусы. Если рассматривать время от момента появления жизни и до наших дней, то две трети этого периода они были единственными представителями живого мира. Потом стали появляться более сложно устроенные одноклеточные организмы (эукариоты), а потом и многоклеточные, к которым мы с вами, дорогой читатель, относимся.
Так вот, за это время бактерии уже успели освоить все экологические ниши, и стали вездесущими и полноправными хозяевами Земли (даже сейчас это самая многочисленная группа живых существ на планете, после вирусов конечно). В настоящее время они населяют самые разнообразные, а порой даже экзотические места. Бактерии можно встретить практически везде – в полярных льдах и горячих источниках, в дистиллированной воде и в воде Мертвого моря, на дне глубочайших впадин Тихого океана, даже в земле на глубине 6—7 км и высоко в атмосфере. Некоторые из них прекрасно чувствуют себя в воде, охлаждающей ядерные реакторы и даже космосе. Микроорганизмы играют чрезвычайно важную роль в жизни планеты. Они участвуют в круговороте углерода, азота, серы; увеличивают плодородие почв, фиксируя азот из воздуха и обогащая им почву; поддерживают газовый состав атмосферы; разлагают останки животных, растений.
Существование микромира определяет жизнь макромира на Земле. Выдающийся французский ученый Луи Пастер писал по этому поводу: «Микробы – бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль».
Когда же появились многоклеточные организмы (не без прямого участия бактерий и вирусов), то для бактерий это означало появление новых экологических ниш, новых «terra incognita», которые они взялись активно осваивать…
Рис. 1.9. Незваная компания
А теперь представьте себе ситуацию: сидите вы дома, чай ароматный попиваете, читаете, быть может, книжку увлекательную или какими-нибудь другими интересными делами занимаетесь. И вдруг дверь ваша под напором трещит и ломается, а к вам вваливается некто, да не один, а с компанией, и они начинают активно поглощать ваши запасы, занимать вашу же жилую площадь и уже хищно так на вас поглядывать. Что вы будете делать в таком случае:
а) продолжите чаепитие;
б) предложите нежданным гостям торт;
в) попытаетесь избавиться от пришельцев и все восстановить.
Что-то нам подсказывает, что читатель выберет ответ (в). Так поступали и древние многоклеточные. В процессе этой бесконечной борьбы у многоклеточных появились факторы и механизмы, позволяющие им эффективно противостоять мощной интервенции. Это то, что сейчас мы называем защитными силами организма или иммунитетом. А что же бактерии? Они вынуждены были разделиться на группы в зависимости от своих возможностей. Некоторые из них не смогли приспособиться к условиям существования в живых организмах и остались свободноживущими.
Другие бактерии смогли «договориться» с многоклеточными, так возникла группа симбионтных8 бактерий. Правда, разные группы бактерий и здесь разделились, и «подписали» разные соглашения со своими (уже партнерами!) многоклеточными. Так, некоторые бактерии, взамен крова и пищи, которые предоставляет хозяин, тоже взяли на себя некоторые обязательства – вырабатывать полезные вещества или выполнять защитную функцию. Союз этот оказался настолько полезным, а услуги оказываемые микробами настолько важными, что закрепились в ходе естественного отбора. Бактерии, «выбравшие» вариант отношений с хозяином, построенный на взаимовыгодных условиях называют мутуалистами. Другие бактерии – комменсалы, находят для себя приемлемыми условия существования в организме более крупных существ и без причинения ущерба хозяину используют то, что ему не нужно. Мутуалисты и комменсалы сформировали особую «касту» бактерий, которая являет собой неотъемлемую часть организма многоклеточных – микробиоту. О ней мы расскажем чуть позже. Среди симбионтных бактерий выделилась еще одна группа – паразиты. Представители этой группы активно используют ресурсы макроорганизма, т.е. питаются и размножаются за его счет, при этом наносят вред – повреждают органы и ткани, тем самым вызывая заболевания.
1.2. Кто в теле хозяин
Итак, на заре эволюции появилась новая экологическая ниша для микробов – многоклеточные организмы. Эту нишу вскоре освоили различные представители микробного мира: бактерии, археи, вирусы, микроскопические грибы и простейшие. Союз многоклеточных и микробов оказался эффективным и полезным для обеих сторон, и закрепился в ходе естественного отбора. В настоящее время, эволюционно сложившуюся совокупность микроорганизмов, максимально адаптированных к жизни в организме многоклеточных, принято называть микробиотой. У нас с вами, дорогой читатель, она тоже имеется. Зачем они нам нужны? Какую пользу приносят? Не лучше ли обойтись без них? Попробуем разобраться в этих вопросах.
Пожалуй, первым, кто обратил внимание на роль микробиоты в организме человека, был Илья Ильич Мечников. Одним из его научных интересов была проблема преждевременного старения человека. В своих работах, посвященных этой проблеме, он выдвинул теорию о том, что причиной старения прежде всего является толстый кишечник человека, а именно токсичные вещества, которые там образуются при расщеплении белковых продуктов гнилостными микробами. Он считал толстый кишечник рудиментарным органом и даже предлагал его удалять. Вместе с тем, Илья Ильич считал, что в кишечнике живут как вредные микробы (гнилостные), так и полезные. К последним он относил «болгарскую палочку» (лактобактерии) и был уверен, что эти благородные бактерии защищают кишечник от вредных и препятствуют старению. Он небезуспешно пропагандировал обязательное употребление кисломолочных продуктов на собственном примере. В аптеках того времени можно было встретить препараты с болгарской палочкой (см. рис. 1.10). Так что, И. И. Мечников был первым, кто впервые обосновано использовал лактобактерии для коррекции микробиоты. Кстати, сейчас такие препараты, содержащие живые симбионтные микроорганизмы (лактобактерии, бифидобактерии, пропионибактерии и др.), называют пробиотиками.
Рис. 1.10. Фотография рекламы из аптеки-музея г. Евпатория
С тех пор представление об сообществе микроорганизмов, населяющих наше тело, значительно изменилось.