Микроб гениальности глазами микробиолога и психиатра. Междисциплинарное путешествие

Нечаянно подслушанный разговор

Эксперимент затянулся до глубокого вечера. Сумерки за окном бокса сгустились до плотной темноты. Уличные фонари разливали вокруг себя мягкий желтоватый свет, и снег под ними радостно поблескивал разноцветными искорками. Моя верная помощница ушла сегодня пораньше, завтра ей предстояло сдавать сложный зачет, и я осталась одна приводить в порядок помещение, где проводилась работа с микроорганизмами. Пора и мне домой, там уже наверно заждались. Еще раз, окинув критическим взглядом бокс, я удовлетворенно закрыла за собой дверь, сняла перчатки, маску и шапочку, переоделась и включила кварцевые лампы. В лаборатории тишина, только щелкают реле приборов и слышно гудение ламп. Проходя мимо термостатов – специальных шкафов, где выращивают бактерии, мне вдруг показалось, что кто-то говорит. Я остановилась и прислушалась – тишина. И вдруг снова, как будто издалека, кто-то заговорил глухим усталым голосом:

– Дети! Какие же они еще дети! Им еще столько предстоит познать!

Другой, более высокий и раздраженный голос оппонировал:

– Дети? Хорошенькое дело! А как вам нравится их идея использовать против нас весь этот жуткий арсенал – антисептики, химиопрепараты, антибиотики, средства стерилизации, наконец.

– Ну, антибиотики, положим, не их изобретение, у нас переняли. Проанализировали и то, как мы реагируем на различные факторы окружающей среды, и сделали соответствующие выводы. Воспользовались, так сказать, нашим слабым местом и вот вам, пожалуйста, получите-распишитесь стерилизацию с дезинфекцией. Но, надо признать – они неплохо учатся.

В разговор вступил третий:

– Главного пока они не понимают. Носятся с этой навязчивой идеей избавления от микробов. Глупцы! Что они делать-то будут без нас? Если бы не мы, их бы и не существовало вовсе. Ведь это мы обеспечили им все условия для жизни, да и своим появлением, может быть они нам обязаны!

Совсем тоненький, почти писклявый голосок удивился:

– Как это?

– Да очень просто, – снисходительно отвечал разраженный голос. – Насытили, например, атмосферу пригодным для дыхания кислородом, и, возможно, поспособствовали появлению многоклеточных организмов. Ну, по крайней мере, это мы открыли возможность существования в социуме, где установлен свой порядок и каждый знает, кто он и что он должен делать – это же прототип ткани, в которых определенные клетки выполняют свои функции.

– А! Да, да я знаю! У нас этот социум биопленкой называется. Вот! – радостно и гордо пропищал тоненький.

Рис. 1.1. Микробы куда старше человеческой цивилизации

– Угу. А еще мы их постоянно воспитываем, направляем ход развития их цивилизации, на экономику влияем, помогаем делать открытия, убираем за ними, питаем их, наконец.

– Кстати, они уже догадываются, что мы можем влиять на их поведение.

– Некоторых, между прочим, даже в гении выводим. Имена их увековечиваем, – обиженно проворчал еще кто-то и, помолчав, добавил – Ну, иногда. Не всех. И не все.

– Да, много у нас работы…

– А не пора ли нам расходиться? Время уже позднее, а завтра учитывать результаты эксперимента предстоит. Надо успеть новые поколения образовать и сформировать приличные колонии.

– Ой, у меня же период генерации начинается! Хорошо вам, микобактериям, делитесь только через 16—20 часов, а мне приходится каждые 20—30 минут начинать новый цикл.

Все вдруг стихло и вновь слышалось только гудение ламп и щелканье реле, да из оконного стекла глядело на меня обескуражено мое собственное отражение.

Вот такой занятный разговор мог состояться в каком-нибудь фантастическом романе, если бы автор прихотью своей воли одарил сознанием и голосом бесчисленных существ невидимого мира. «На то он и автор, чтобы небылицы всякие придумывать» – скажет читатель. И все же, давайте попробуем разобраться, что в этом «подслушанном разговоре» выдумка, а что вполне может претендовать на истину. Выясним, наконец, что представляют собой микробы, какую роль они играют в нашей жизни и почему инфекции всегда идут вместе с нами по ветвистой дороге эволюции.

1.1. Что такое инфекции и откуда они взялись?

Знакомьтесь – Её Величество Бактерия!

Да, да, именно Величество. Потому что, бактерии правят бал жизни на Земле и во многом определяют наше существование. Это самые многочисленные жители нашей планеты, после вирусов конечно. Но почему мы их не замечаем? Потому что они очень-очень крошечные.

Сейчас вы держите перед собой книжку и вглядываетесь в текст, но посмотрите внимательнее, может быть, вы еще что-то сумеете разглядеть? Нет? Вот и славно, а то бы вы с испугу бросили нашу книжку и ни за что не стали бы продолжать чтение. А знаете почему? Потому что вы бы увидели огромное количество самых разнообразных МИКРОБОВ, они повсюду! К счастью, устройство нашего глаза не позволяет видеть нам такие мелкие объекты, если, конечно, мы предварительно не вооружимся микроскопом. Ведь человеческий глаз способен различить объекты размером 0.1—0.3 мм. А средний размер бактерий в десять тысяч раз меньше – 0.0005—0.005 мм, не говоря уже о вирусах, которые невозможно увидеть даже с помощью обычного микроскопа. Очень уж они крошечные3 – 0.00002—0.00035 мм, для их изучения особый микроскоп используют – электронный. Но в нашем повествовании речь пойдет преимущественно о бактериях.

Так кто же они, эти самые бактерии, как выглядят и как устроены?

Сегодня вряд ли найдется человек, не знающий о том, что вся информация о любом живом существе хранится в его ДНК (или РНК, если говорить о вирусах). Принцип строения ДНК универсален для всех существ и представляет собой длинную цепочку, состоящую из четырех типов нуклеотидов. Это святая святых любого организма и должна охраняться, как зеница ока. Все существа, обитающие на Земле, делают это по-разному:

Рис. 1.2. Микробная семейка

– Эукариоты (ядерные) хранят свою ДНК, компактно упакованную в хромосомы и спрятанную в ядре – специальном отсеке, отделенным от содержимого клетки оболочкой, называемой ядерной мембраной. Кстати, мы с вами относимся к этой группе и у нас 46 хромосом.

– Прокариоты хранят свои «инструкции», разместив их в одной единственной хромосоме, чаще всего замкнутой в кольцо. Эта хромосома располагается внутри клетки и ничем не отделена от ее содержимого. Так организован генетический аппарат всех бактерий. Кроме основных, у них имеются дополнительные «инструкции» в виде небольших кольцевых ниточек ДНК – плазмид, свободно располагающихся в клетке.

– Акариоты – особые организмы, не имеющие клеточного строения, хранящие свою генетическую информацию в небольших ниточках ДНК или РНК, защищенных белковой оболочкой. Конечно это вирусы – удивительные существа, занимающие промежуточное положение между живой и неживой природой. По сути, они представляют собой генетический материал, защищенный одной или двумя оболочками от внешней среды.

Итак, бактерии относятся к группе «Прокариоты» (доядерные). Теперь давайте посмотрим, как они устроены. Часто бактерии называют просто организованными. Но так ли это на самом деле?

Тело бактериальной клетки представляет собой мешочек, наполненный гелеобразным содержимым – цитоплазмой, в ней располагается основной хранитель генетической информации – нуклеоид или кольцевая хромосома, содержащая в среднем 4100 генов. Кроме того, там могут находиться от 1 до 200 плазмид, несущих дополнительную генетическую информацию, она не является жизненно необходимой, но дает бактериям преимущества в определенных условиях, такой своеобразный «спасательный круг» в условиях трудной жизненной ситуации. Очень важными структурами являются рибосомы, вырабатывающие белок. Они свободно располагаются в цитоплазме, их число непостоянно и меняется в зависимости от нужд клетки. Также некоторые бактерии могут иметь включения, представляющие собой небольшие гранулы, в которых находятся сера, железо, полифосфаты (полимеры фосфорной кислоты – резерв энергии), полимеры продуктов неполного окисления глюкозы (бета-оксимаслянная кислота) и другие вещества.

Тоненькая эластичная оболочка, называемая цитоплазматической мембраной, отделяет внутреннее содержимое бактерии от внешней среды. При этом она обладает избирательной проницаемостью. Через нее внутрь бактерий проникают необходимые вещества, а наружу выводятся вредные. Её принципиальное строение универсально для всех живых клеток – двойной слой фосфолипидов, в который встроены различные белковые молекулы. Мембрана не может обеспечить надежную защиту от механических повреждений, поэтому бактерии обзавелись дополнительной оболочкой, которую называют клеточной стенкой. Она не только защищает бактерии, но и определяет их форму (палочковидную, извитую, нитевидную, шарообразную, звездчатую и др.). Важным компонентом клеточной стенки, является пептидогликан. Он есть только у бактерий, причем у одних он представлен многочисленными слоями и составляет 90% клеточной стенки. В клеточной стенке других бактерий встречается всего один-два слоя пептидогликана, которые сверху покрываются внешней мембраной. Тип клеточной стенки – очень важный признак, положенный в основу распознавания бактерий, а также играющий большую роль в диагностике инфекционных заболеваний. Поэтому все бактерии принято делить по типу строения клеточной стенки на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Названия эти даны по фамилии ученого Христиана Грама, предложившего способ окраски, позволяющий различить бактерии.

К первой группе относят бактерии, клеточная стенка которых представлена многочисленными слоями пептидогликана, а ко второй – бактерии у которых один-два слоя пептидогликана покрыты дополнительной мембраной, ее называют наружной или внешней.

Некоторые бактерии приобрели еще одну защитную оболочку – капсулу, она представляет собой слизистый слой, покрывающий клеточную стенку. Такие бактерии, как правило, оказываются опасными для здоровья человека. Капсула помогает бактериям прикрепляться к поверхности субстрата и противостоять защитным силам организма.

Существуют так называемые подвижные бактерии, они способны передвигаться в жидкой среде или по поверхности.

Рис. 1.3. Жгутиковые бегуны – рекордсмены по скорости передвижения

Для этой цели у них имеются особые структуры – жгутики. Их количество и расположение тоже является важным признаком, по которому можно определить вид бактерий. Например, возбудитель холеры имеет только один жгутик, расположенный на одном из полюсов бактериальной клетки, а кишечная палочка обладает большим количеством жгутиков, которые покрывают ее поверхность. Благодаря жгутикам бактерии могут изменять направление движения и выбирать наиболее подходящие условия обитания.

Жгутики представляют собой тоненькие ниточки, в несколько раз превышающие длину самой бактерии и совершают 40—60 оборотов в секунду. Благодаря жгутикам бактерии способны за 10 сек преодолевать 1 мм! Это расстояние превышающее длину самого микроба в 200 раз. Скорость, с которой могут двигаться бактерии, превышает мировой рекорд в беге на 100 метров, в три раза! Мировой рекорд в беге на 100 метров, установленный в 2009 году, составляет 9.58 сек.

А еще есть бактерии, у которых жгутики располагаются не на поверхности, а между наружной мембраной и клеточной стенкой. Они собраны в пучки, прикреплены к полюсам бактерии и обвивают ее вдоль тела. Из-за чего бактерии принимают извитую форму и тоже способны к разным видам движения: штопорообразному, волнообразному, толчкообразному, маятникообразному.

Для осуществления процессов жизнедеятельности (питания, роста, размножения, движения, восстановления поврежденных структур и другие процессы) необходима энергия. Живые существа обладают уникальной способностью – самостоятельно вырабатывать энергию.

Любой организм, любая клетка для осуществления процессов жизнедеятельности нуждается в энергии. В эукариотических клетках она вырабатывается особыми органеллами – митохондриями. Несмотря на то, что бактерии лишены этих органелл, они прекрасно справляются с задачей энергообеспечения. Кстати, ученые считают, что митохондрии – сами бывшие бактерии, которые научились получать энергию при участии кислорода и около 600 млн лет назад перебрались в эукариотические клетки. Поэтому принцип получения энергии у бактерий и митохондрий одинаковый.

Универсальным носителем энергии в живых организмах является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и весь процесс получения энергии сводится к образованию этого вещества. В клетке расщепление питательных веществ, сопровождается выделением энергии, которая запасается в виде АТФ.

Питательные вещества проникают через цитоплазматическую мембрану в цитоплазму клетки и там под действием ферментов подвергаются расщеплению, при этом разрушаются химические связи и выделяется некоторое количество энергии, которая запасается в виде АТФ. При этом ионы водорода фиксируются с помощью специальных веществ и передаются на электрон-транспортную цепь.

Электрон-транспортная цепь представляет собой систему веществ-переносчиков, которые располагаются в цитоплазматической мембране и, которые, как в эстафете, от одного другому, передают электроны и переносят ионы водорода с внутренней поверхности цитоплазматической мембраны на внешнюю. В результате неравномерного распределения ионов водорода и электрического заряда по обе стороны мембраны, возникает энергия в форме «трансмембранного электрохимического потенциала», которая может преобразовываться мембранной «турбиной» (ферментом) в универсальный носитель энергии – АТФ.

Получение энергии – это сложный последовательный многоступенчатый процесс окисления, т.е переноса электронов от питательного субстрата (первичного донора) к какому-то веществу (конечному акцептору), через промежуточные вещества. У одних бактерий конечным акцептором является свободный кислород (О2), в таком случае говорят об аэробном дыхании; у других конечным акцептором электронов может быть кислород в связанной форме (нитрат NO3‒, карбонат CO3‒, сульфат SO42‒) – это анаэробное (бескислородное) дыхание. Дыхание аэробное или анаэробное протекает в цитоплазматической мембране при участии электрон-транспортной цепи. конечным акцептором могут быть органические вещества – этот процесс называют брожением и протекает он только в цитоплазме.

Если свободный кислород принимает электрон, то он становится токсичным – невероятно способным окислять разные вещества, а это опасно для всех живых клеток. Поэтому те бактерии, которые используют свободный кислород в качестве акцептора, научились защищаться от его токсичных форм с помощью специальных веществ – антиоксидантных ферментов. Те же бактерии, которые не имеют таких веществ, вынуждены жить в бескислородной среде. Таким образом, получение энергии может происходить как при участии свободного кислорода, так и без него.

Все бактерии по отношению к кислороду делятся на три группы:

– анаэробы – бактерии, у которых акцептором электронов являются неорганические вещества (нитрат, карбонат или сульфат), кислород для них опасен, живут в бескислородной среде;

– аэробы – получают энергию только при доступе свободного кислорода, поскольку он является конечным акцептором электронов;

– факультативные анаэробы – эти бактерии получают энергию так же, как и анаэробы, но в отличие от них способны защититься от токсичных форм кислорода.

Анаэробы получают энергию не самым эффективным способом – путем неполного окисления в цитоплазме. Неполного, потому что из веществ, которые образуются после расщепления питательных субстратов, можно получить еще больше АТФ, но для этого система переносчиков электронов и водорода должна быть полноценной, содержащей все необходимые компоненты. Этим ресурсом, увы, анаэробы не обладают, в их системах переносчиков отсутствуют некоторые компоненты. Поэтому недоокисленные вещества, например, молочная кислота, становятся бесполезными для бактерий и выбрасываются ими, в окружающую среду. Вот вы любите йогурт или другие кисломолочные продукты? Теперь догадываетесь, как они получаются? Правильно, кисломолочные бактерии расщепляют молочный сахар – лактозу до молочной кислоты и выбрасывают ее в молоко, отчего этот продукт приобретает новые свойства и превращается в йогурт. Тот же процесс происходит при заквашивании овощей. Молочная кислота препятствует размножению гнилостных микробов и является хорошим консервантом. Давным-давно люди научились использовать различные виды брожения (кисло-молочное, спиртовое, пропионовое, масляно-кислое) в своей хозяйственной деятельности, но даже не подозревали, что эти процессы невозможны без бактерий.

Факультативные анаэробы имеют более полноценную систему переносчиков, а кроме того, у них имеются особые вещества, защищающие их от активных форм кислорода.

Большинство бактерий относится к анаэробам и факультативным анаэробам. Чтобы обеспечить себя энергией, бактерии вынуждены съедать огромное количество пищи. А, кроме того, главным источником энергии для подавляющего числа бактерий являются углеводы (сахара). Вот уж кто настоящие сладкоежки!

Рис. 1.4. Бактерии любят хорошо покушать!

Да еще и обжоры, правда, по прихоти эволюции. Только представьте себе: за сутки каждая бактерия потребляет пищи в 30—40 раз больше массы своего тела. Это как если бы человек, массой 70 кг в сутки съедал от 2 до 3 тонн пищи!

Для того, чтобы все это переработать, да еще выполнить другие функции требуется очень высокая скорость протекания химических процессов, ее обеспечивают особые белки-катализаторы, называемые ферментами. Внутри бактериальной клетки их синтезируется около 3000, они обеспечивают протекание триллиона (1012) химических реакций в минуту.

Бактерии способны утилизировать самые разнообразные вещества. Не подумайте, что они совсем уж неразборчивы в своем аппетите. Оказывается, они еще те привереды. Если в питательной среде находится несколько сахаров, то бактерии определят легкоусвояемый сахар и сначала съедят его и только потом примутся за другой. В геноме бактериальной клетки закодированы все ферменты, которые необходимы ей в разных условиях существования. Но в каждый конкретный момент времени бактерия не нуждается во всех ферментах сразу, поэтому они синтезируются тогда, когда они действительно необходимы. Это рационально, потому что для одновременного и постоянного синтеза всех ферментов, закодированных в ее геноме, потребуется огромное количество питательных и энергетических ресурсов, и фабрик по производству белков (рибосом). Конечно, есть группа ферментов, которые необходимы для обслуживания жизненно важных процессов, без которых прокариотическая клетка погибнет, такие ферменты синтезируются постоянно. А есть ферменты, потребность в которых появляется время от времени и необходимо иметь механизмы включения и выключения их производства. Поэтому в ходе эволюции появились сложные и эффективные способы регуляции синтеза таких ферментов. Они позволяют бактериям быстро приспосабливаться к меняющимся условиям среды обитания, а значит выживать.