Бактериальные инфекции — самые массовые убийцы в прошлом и самая большая угроза настоящего. Ежегодно на борьбу со смертоносными микроорганизмами тратятся миллиарды долларов, но война между человечеством и микробами кажется уже бесконечной. Ученые придумывают новые антибиотики, бактерии эволюционируют, вырабатывая все более и более опасные штаммы. Но теперь ученые вдруг обнаружили, что они воюют не против единичных микроорганизмов, а против всего микромира, обладающего коллективным разумом и социальным сознанием.
Убей ближнего
Все началось с того, что микробиолог Эшел Бен-Якоб из Университета Тель-Авива начал изучать полезные свойства бактерии Paenibacillus dendritiformis — казалось бы, самого обычного анаэробного микроорганизма, обитающего на корнях растений. В ходе исследований выяснилось, что многие представители этой спорообразующей палочковидной бактерии производят ядовитые антимикробиальные вещества, посредством которых они могут уничтожать всех своих конкурентов по биологической нише. И тогда ученый решил стравить две колонии бактерий Paenibacillus друг с другом и посмотреть, что из этого получится. В одной чашке Петри он вырастил две колонии бактерий, а затем резко сократил им рацион питательных веществ, дав таким образом сигнал к началу битвы. Но войны не получилось — обе колонии бактерий к изумлению ученого ринулись уничтожать свои собственные клетки, которые оказались в приграничной зоне. Но стоило разделить врагов непроницаемой мембраной, как самоуничтожение тут же прекратилось.
— Очевидно, что этот опыт доказывает, что у бактерий есть примитивный коллективный разум,— объяснил "Огоньку" сам автор эксперимента профессор Бен-Якоб.— Этот разум позволяет им выживать в случае, если клеткам грозит голод, шок от высокой температуры или внешний враг. В таких случаях колонии бактерий мобилизуются и начинают либо убивать врагов, либо уничтожать себя самих, чтобы ценой сокращения "лишних ртов" сократить всю популяцию. До недавнего времени бактерии было принято считать изолированными одноклеточными организмами без выраженного социального поведения, но теперь стало понятно, что все гораздо сложнее. Можно предположить, что в роли самостоятельного организма выступает вся колония микробов, способная собирать информацию из окружающей среды, хранить "коллективную память" и передавать друг другу информацию при помощи особого химического языка. По сути, структура колонии микробов напоминает примитивную демократию, где каждое одноклеточное обладает своим "голосом", который при достижении необходимого большинства "голосов" всех остальных участников колонии становится коллективным решением большинства.
В итоге доклад о разумности колоний микроорганизмов, подготовленный профессором Бен-Якобом вместе с биологами Принстонского университета, произвел на апрельской сессии Американской ассоциации содействия развитию науки эффект разорвавшейся бомбы. Еще бы! Ведь если микробы могут общаться друг с другом и принимать взвешенные решения, то почему бы и человеку не поговорить с микроорганизмами в собственном организме?! Если это удастся, тогда наконец закончится бесперспективная гонка вооружений между фармацевтами и патогенными микроорганизмами.
Демократия микромира
Собственно, ученые уже давно говорят о необходимости коренного пересмотра наших представлений о микромире. Еще в середине 50-х годов прошлого века советский ученый Николай Ерусалимский первым предложил гипотезу о том, что "коллектив одноклеточных" является единым организмом. Но тогда его исследование не привлекло никакого внимания — в те годы правительство больше интересовалось бомбами и ракетами, а всякие там микробиологи были преданы анафеме как продажные наймиты империализма. Потом, уже в конце 1980-х, американские ученые Шапиро и Дворкин начали изучать поведение бактерий, образующих колонии, но и им не удалось поколебать устоявшихся представлений. С тех пор ученые установили, что одноклеточные организмы не просто умеют общаться, но даже знают несколько языков, вернее, методов коммуникации.
— Первый способ — сугубо механический, когда одна клетка с другой общается непосредственно в процессе соприкосновения,— говорит профессор Галина Эль-Регистан, главный научный сотрудник Института микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН.— За счет специальных молекул одна бактерия может прилипнуть к другой и дать ей сигнал: "Делай, как я!" Второй способ — физический, изучен меньше остальных. Однако есть гипотеза, что бактерии хорошо ощущают электромагнитные и низкочастотные поля. Ученые доказали, что многие виды микробов могут излучать ультрафиолет, который воспринимается другими организмами, и соответственно влиять на их поведение. А вот третий способ коммуникации — общение одноклеточных с помощью химических реакций — сейчас активно изучают микробиологи всего мира и даже составляют своего рода словари, где расписано, какие именно сообщения отправляют друг другу бактерии, синтезируя те или иные низкомолекулярные соединения.
— Что же именно могут сообщать друг другу бактерии?
— Информацию об изменении температуры или химического состава питательных веществ, да что угодно. Главное, что автор этого сообщения испытал стресс и решил предупредить об этом всех своих собратьев, чтобы они могли подготовиться к изменению окружающей среды. Или, например, с разных концов колонии сначала одна клеточка, затем другая начинает подавать голос: "Становится тесновато! Нас очень много! Пора проголосовать за контроль рождаемости!" Постепенно таких недовольных становится все больше, образуется кворум для принятия нового решения, и клетки прекращают делиться, а то и вовсе убивают чересчур расплодившихся. Другие же добровольно переходят в состояние покоя, или, как еще говорят, глубокого анабиоза. Анабиоз подразумевает прекращение жизни, и все же это не смерть — в состоянии покоя клетка может находиться бесконечно долго и фактически в любых условиях. В нашем институте микробиологи "будят", возвращают к жизни бактерии, которые провели миллионы лет в вечной мерзлоте. Выходят из глубокого сна бактерии тоже коллективно — кучка клеток в анабиозе называется колониеобразующей единицей (КОЕ). Одна клетка очнется и сигналит другим — "условия изменились, можно просыпаться". Затем начинается исследование новой среды, звучит уже известный призыв: "Внимание! Подготовиться к ускоренной адаптации!" И дальше весь цикл жизнедеятельности этого вида микроорганизмов повторяется по кругу. Вероятно, так было и при самом зарождении жизни на Земле — сначала микроорганизмы обжили пространство, а затем появились многоклеточные, высокоразвитые существа.
Кто кем управляет?
Чаще всего человек рассуждает о вредоносности бактерий. Действительно, патогенные микроорганизмы могут привести к гибели своего "большого хозяина", если начнут размножаться в легких, сердце, мозге. Но не все бактерии опасны. Есть среди них условно опасные и даже очень полезные, без которых жизнь чудесно сложного человеческого организма была бы невозможна.
— За все нужно платить,— считает профессор Эль-Регистан,— человек при всей своей высокоразвитости гораздо менее адаптивен, чем простейшие. Каждая клеточка у нас узкоспециализированная, и это дает множество преимуществ. Но без помощи микроорганизмов мы смертники. Именно они и обеспечивают высокоразвитым существам способность адаптироваться. Есть такая очень редкая патология — человек или животное рождается стерильным, чистым от всех бактерий и микробов. И может жить только в стерильном боксе. Потому что нет никакого шанса сформировать ответ иммунитета на те микроорганизмы, которые встретят его в мире. Более того, микроорганизмы в нашем теле вырабатывают вещества, которые человек сам синтезировать или получить с пищей не может.
Роль бактерий в жизни человеческого организма, по мнению ученых, так велика, что профессор Джереми Николсон из Имперского колледжа в Лондоне предложил ввести новое понятие — рассматривать комплексно не человека, а сверхорганизм, гибрид человеческих и нечеловеческих клеток. Причем человеческий геном в этом конгломерате вовсе не преобладает.
— В теле человека несколько триллионов клеток и более 100 триллионов различных видов бактерий,— говорит профессор Николсон,— это биологическое сожительство выгодно обеим сторонам. Однако все аспекты такого взаимодействия до сих пор изучены плохо. Если мы хотим развивать новейшие методы борьбы с сердечными заболеваниями, раком, неврологическими болезнями, необходимо использовать новое понятие человеческого суперорганизма и углубленное изучение влияния наших внутренних сожителей на метаболизм.
И в этом плане расшифровка человеческого генома, которая наделала столько шума,— лишь малая часть того, что нужно сделать для понимания наших внутренних процессов. Ведь по количеству ДНК в наших телах лидируют именно бактерии, а не человеческие клетки.
Диалога не будет?
Так можем ли мы управлять бактериями, а не сражаться с ними, только лишь усиливая потенциал противника? Российские микробиологи из Института микробиологии имени С. Н. Виноградского РАН, израильские, американские — во многих странах крупные научные центры, изучающие поведение бактерий, пытаются решить этот вопрос.
Так, группа американских ученых под руководством Верна Шрамма решила сформировать такое стратегическое оружие, которое не убивало бы все бактерии, а снижало их инфекционную агрессию. Для этого, по мнению исследователей, достаточно нарушить у бактерий "ощущение кворума", то есть воспрепятствовать принятию решения большинством проголосовавших химически собратьев. Группа Шрамма работает над созданием препаратов, препятствующих коммуникациям бактерий.
Так, одним из средств коммуникаций у холерного вибриона и кишечной палочки выступает фермент MTAN. Ученым удалось синтезировать три соединения, блокирующие общение микроорганизмов между собой. Для испытания эффективности этого вещества ученые вырастили 26 поколений бактерий и подвергли их воздействию новых препаратов. И у всех поколений чувствительность к препарату сохранялась на исходном уровне — адаптироваться бактериям так и не удалось.
Другой вопрос — может ли человечество наладить полноценный диалог с микромиром?
Галина Эль-Регистан на тот же вопрос только улыбнулась:
— А что такое разум? Кто может дать исчерпывающий ответ на этот вопрос? Коллективное сознание настолько иное, что оно даже не поддается нашему представлению об устройстве разума.
подписи
В теле человека несколько триллионов клеток и более 100 триллионов различных видов бактерий