Микробушки. Взгляд в бесконечность, полную жизни

Я дописывал эту книги в пятую годовщину начала пандемии COVID-19 и в год восьмидесятилетия Великой Победы. Посвящаю её всем учёным, медикам, специалистам санитарно-эпидемиологической службы и волонтёрам, кто принял свой бой — бой с коронавирусом. Тем, кто, как их предки когда-то, отстоял миллионы жизней и тем, кто сам пал жертвой инфекции.

Памяти павших будем достойны!

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Говорят, сейчас книгу не пишет только ленивый. Ну, или безрукий, хотя Стивену Хокингу — недавно скончавшемуся гениальному физику, большую часть жизни полностью парализованному — даже это обстоятельство не помешало.

Последнее время особенно много пишут о медицине и здоровье. Пишут именитые учёные, начинающие аспиранты, простые врачи — это и придаёт вес в профессиональном сообществе, и систематизирует опыт, и помогает бороться с профессиональным выгоранием (очень частое в работе врача состояние и страшная вещь, превратившая не одного умницу и энтузиаста в злобного мизантропа). Так что скажу вам по секрету: на самом деле я писал эту книгу для себя.

Ну а если серьёзно, то эта книга — «младшая сестра» сборника лекций для моих студентов — будущих фельдшеров и медицинских сестёр. И мне бы хотелось, чтобы и вы, читатели, и мои юные будущие коллеги после прочтения получили ту базу знаний, которая поможет лучше понять окружающую действительность. Не жить в плену навязанных мнений, а понимать механизмы и принципы функционирования мира микробов, рядом с которым мы живём (именно так, а вовсе не наоборот): как он менял в прошлом и продолжает менять сейчас планету и жизнь на ней, в том числе и нашу собственную жизнь.

Кое-что из этого может войти в конфликт с уже имеющимися у вас представлениями. Вы даже можете сказать, что я пытаюсь навязать вам определённое мнение. Что ж, в этом случае советую, по крайней мере, не отбрасывать книгу сразу — хотя бы потому, что вы заплатили за неё свои деньги. Попробуйте для начала открыть содержание: вдруг среди разделов, о которых вы бы со мной яростно поспорили, найдётся то, в чём мы окажемся единомышленниками?

И наконец, несколько слов о том, почему у книги такое доброе название — «Микробушки». В самом деле: на лекциях и семинарах по микробиологии студенты частенько морщатся: «Фу!» — в интернете просят: «Расскажите про страшные инфекции». А мне хотелось показать мир микробов несколько иначе — просто и без слишком сильных эмоций, но так, чтобы вызвать интерес.

Во‑первых, лишь очень малая доля микробов действительно является возбудителями заболеваний. А во‑вторых, даже самые патогенные микробы, в конце концов, не виноваты, что природа сделала их совершенными, но паразитами. С биологической точки зрения для понимающего и интересующегося человека микробы по‑своему удивительны и прекрасны. Скажем, тигр в зоопарке не перестаёт быть опасным хищником, но мы всё равно идём на него смотреть, потому что это гордое и грациозное животное — так и с микробами. Ну а интерес и понимание рождаются (по крайней мере, должны) с малых лет: из общения с семьёй, друзьями, из первых прочитанных книг. Потому и «Микробушки» не щеголяют хлёстким заголовком, что они задумывались как книга для всей семьи — от школьников до бабушек и дедушек.

Так что, устраивайтесь поудобнее и извлеките максимум удовольствия из чтения.

Глава 1. Знай врага в лицо! (и друга тоже)

Начиная разговор о микробах, нужно сначала выяснить — а что же это такое? Или, может быть, правильнее сказать: «Кто это?» То есть встаёт принципиальный вопрос — являются ли микроорганизмы живыми (на что вроде бы намекает само слово «организмы») или всё же нет?

Что мы вообще знаем о мире микробов? Когда я читаю лекции в медицинском колледже, чаще всего на вопрос: «Какие микроорганизмы вы знаете?» студенты называют вирусы и бактерии. И уже здесь мы сталкиваемся с нюансами и оговорками. Ведь вирус представляет собой просто цепочку нуклеиновой кислоты в оболочке из белковых молекул. В таком виде он даже не способен самостоятельно размножаться. Для копирования генетической информации и сборки новых вирусных частиц ему нужна клетка живого организма. То есть вирус — абсолютный паразит. Его можно сравнить с записанной на флеш-карту программой — пока не подключишь к «порту»-рецептору и не запустишь на «компьютере»-клетке, биологическая программа вируса воспроизводиться не будет и на другую «флешку» он себя не скопирует.

Так считать ли вирус в таком случае живым? А микроорганизмом? Англоязычная школа микробиологов однозначно даёт ответ — нет. Даже при чтении переводной научно-популярной литературы на эту тему вы, скорее всего, столкнётесь с выражением «микробы и вирусы». То есть последних вроде бы имеют в виду при обсуждении, но всё же чётко выделяют в особую категорию.

В отечественной же микробиологии вирусы считают как бы «преджизнью», выделяя эти микроорганизмы в особое надцарство природы Vira («вира») — доклеточные формы жизни.

Бактерии — это уже клеточная форма жизни, способная к автономному самовоспроизводству. Однако бактерии никогда не объединяются в многоклеточные структуры, максимум они могут образовывать колонии. Ещё одним отличительным свойством бактерий является то, что у них нет выделенного ядра, поэтому они вместе с археями (архебактериями) составляют группу прокариот (от лат. «про» — перед, ранее, «карион» — ядро).

Поразмыслив, наряду с бактериями и вирусами, многие вспоминают таких представителей микроорганизмов, как «грибки». И здесь есть нюанс: грибы — это обширное царство живой природы, включающее и какой-нибудь опёнок или мухомор, и пекарские дрожжи, и кандиды (причины «молочницы»).

А ещё — аспергиллы, пенициллы и кладоспориумы, знакомые вам по чёрному налёту на стенах и потолках сырых помещений (что не только портит вид и разрушает строительные конструкции, но и может вызывать у жильцов аллергические реакции).

Так вот, микробиология занимается только микроскопическими представителями этого разнообразия, то есть микромицетами (от греч. «микрос» — малый и «микос/мицес» — гриб) — дрожжами и плесенями.

И да, терминологически правильно что микро-, что макромицеты называть одинаково — грибами. Но у обычных людей это вызывает путаницу, поэтому даже врачи в беседах с пациентами частенько прибегают к разговорной форме «грибок», «грибковое поражение кожи».

Грибы, в отличие от бактерий, уже являются эукариотами — у них есть полноценное ядро, как в клетках растений и животных. К растениям долгое время грибы и относили, хотя на деле они формируют совершенно отдельное самостоятельное царство природы. И здесь это не эпитет, а научный термин: царство грибов как классификационная категория будет называться «микота» или «фунги», смотря на какой язык вы переведёте слово «грибы» — латинский или греческий. В такие же царства объединены бактерии (название их царства Bacteria звучит сходно с русским вариантом), растения (царство «планте» или «флора») и животные (царство «анималия» или «зоа») с подцарством простейших («протозоа»).

Простейшие выделены в самостоятельную группу из большого царства животных (к которому относится и человек) на том основании, что, будучи полноценными эукариотами, они, как и прокариоты, всё же не в состоянии слиться в многоклеточный организм. Их клетки живут, питаются, дышат, охотятся или паразитируют, мигрируют к источнику пищи или скрываются от опасности, но всегда остаются одиночками. Максимум, на что способны простейшие — объединяться в колонии по типу вольвокса. Но никакой специализации клетки в такой колонии не приобретают, оставаясь совершенно одинаковыми, в отличие от гигантского разнообразия клеток и тканей в многоклеточных организмах. По этой же причине одноклеточности простейшие доступны для наблюдения и изучения в основном только с использованием оптики.

Сами по себе водоросли, являющиеся частью царства растений, тоже интересуют микробиологов лишь отчасти. К тому же ещё совсем недавно считалось, что ни один вид водорослей не способен инфицировать человека, и потому они не представляют интереса для врачей и медицинских микробиологов.

Правда, в 1970-е годы сначала у животных, а затем и у человека были описаны случаи прототекоза — инфекции кожи и центральной нервной системы, вызванные нефотосинтезирующими водорослями рода Prototheca («прототека»). Это ближайшие родственники одноклеточных водорослей хлорелла, однако по своим свойствам в организме больше напоминают грибы. Ранее считалось, что прототекоз может поражать только особей с ослабленным иммунитетом (например, ВИЧ-инфицированных лиц), то есть является оппортунистической инфекцией . Однако в последние годы выяснилось, что пусть редко, но болеть могут и люди с нормальным иммунитетом. Из-за своей редкости и необычного возбудителя прототекоз сложно диагностировать, да и вылечить не так-то просто.

Но и помимо этого у микробиологии богатая история взаимодействия с альгологией (наукой о водорослях, не путайте с алгологией — разделом медицины о лечении болевых ощущений). Например, микроорганизмы, вызывающие «цветение» водоёмов жарким летом, до сих пор называют сине-зелёными водорослями, хотя в действительности это бактерии (цианобактерии). Предполагается, что именно у них первых на древней Земле появился процесс фотосинтеза. А уже позже водоросли и простейшие устроили с ними выгодный симбиоз, в результате которого (согласно одной из теорий) свободноживущие цианобактерии деградировали до хлоропластов, став органеллами в клетках своих более эволюционно продвинутых соседей.

Так же, как и поглощённые, но не переваренные предком эукариот археи развились внутри него в митохондрии, положив начало аэробным — дышащим кислородом — организмам.

А ещё водоросли образуют симбиоз с грибами, который вам всем хорошо знаком и не раз встречался, например, на коре деревьев. Это лишайники. Организм очень интересный, но медицинского значения, в смысле патогенности для человека, не имеющий. Поэтому не нужно путать лишайник с лишаём.

Лишай — это общее название многих заболеваний кожи и волос различного происхождения: красный плоский лишай, розовый лишай и т. д. Хотя вызванные микроорганизмами среди них тоже есть. Стригущий лишай, например — это микроспория или трихофития, то есть заболевания, вызванные микроскопическими грибами рода микроспориум или трихофитон соответственно. Разноцветный (отрубевидный) лишай — результат поражения кожи грибом малассезией (Malassezia furfur).

Последняя, шестая, группа в классификации микроорганизмов — прионы. Она самая новая (большинство вызываемых ими заболеваний были описаны во второй половине XX века, как инфекционный агент выделены в 1982 г.) и самая загадочная. Дело в том, что прионы вовсе не содержат нуклеиновой кислоты, то есть не несут генетического материала. Это просто особого рода белковые молекулы, предшественники которых в норме имеются в организме животных (недавно были открыты прионы у дрожжевых грибов и предполагается их наличие у некоторых растений). Однако под действием до конца не установленных факторов прионы в организме начинают менять свою конформацию — способ укладки белковой молекулы в пространстве или, попросту говоря, форму. Такие молекулы уже не могут нормально нести свою функцию, и их накопление в клетках приводит к заболеванию. У животных прионы доказанно вызывают губчатую энцефалопатию (ГЭП) крупного и мелкого рогатого скота («коровье бешенство», «скрэпи» у овец). У людей — фатальную семейную бессонницу, болезнь «куру» и другие поражения центральной нервной системы.

На роль причин, заставляющих «хорошие» прионы перерождаться в патоген, предполагают наследственные, внешние, другие перенесённые инфекции или сочетание всего перечисленного. А также инфицирование «плохими» прионами извне: так, название болезни «куру» происходит из языка племён каннибалов с островов Папуа — Новая Гвинея, у которых она и была впервые диагностирована. Нет, они не охотятся на людей специально, но у них есть традиция съедать некоторые органы своих умерших сородичей — особенно головной мозг. А именно там у заболевших содержится наиболее высокая концентрация злокачественных прионов. «Коровье бешенство» и скрэпи тоже были ассоциированы со стадами, в корма которых для ускоренной прибавки веса добавляли мясокостную муку — то есть они были «каннибалами поневоле».

Конечно, прионы уже совсем нельзя назвать живыми. Однако пока ими тоже занимаются микробиологи. Благо прионные инфекции весьма редки.

Итого групп микроорганизмов шесть:

вирусы;

бактерии;

микроскопические грибы (микромицеты);

микроскопические водоросли;

простейшие;

прионы.

Микроорганизмы чрезвычайно разнообразны и многочисленны. Их даже сложно уложить в рамки одной классификации. Кроме того, они очень малы, поэтому изучать их можно только с помощью микроскопа. И далеко не всегда с помощью того оптического (светового) микроскопа, которым вы, вероятно, пользовались на уроках биологии в школе. Физический предел его способностей определяется длиной волны видимого света, а это — всего 2 десятитысячные доли миллиметра (0,2 мкм — читается «0,2 микрометра»).

То есть кишечную палочку с диаметром клетки 0,4 мкм в нём видно, а вот вирусы, размеры которых измеряют уже в нанометрах (тысячная доля микрона) — нет. Кроме разве что недавно открытых гигантских РНК-вирусов диаметром до 1,5 мкм, но это исключение. И ещё иногда получается подкрасить скопления вирусов специальными светящимися пигментами, что используют, например, в диагностике гриппа — однако такая хитрость работает, только если вируса в исследуемом материале достаточно много.

Для изучения вирусов и тонкой структуры других микроорганизмов через исследуемый образец направляют, например, поток электронов, имеющих более короткую длину волны, чем свет. Поэтому такие микроскопы называются электронными. Они позволяют заглянуть уже не только в наномасштаб, но и «увидеть» структуры размером в несколько ангстрем — то есть даже отдельные молекулы и атомы. Но такие приборы очень сложны и дороги, поэтому их применяют в научных целях, а для повседневной практики, например, диагностики инфекций, ищут другие способы. Зачастую так гораздо проще и удобнее. Но вот чтобы подтвердить открытие новых вирусов или других мельчайших микроорганизмов, всё же нужно представить их электронные микрофотографии.

Так размеры и относительно простое устройство «микробов», которое природа комбинирует во множество разнообразных вариантов, сделали их реальными хозяевами нашего мира. Простота и неприхотливость позволяют им приспосабливаться к почти любым условиям среды. Именно по распространению микроорганизмов определяют границы биосферы Земли. И они гораздо шире освоенных любыми другими обитателями планеты.

Например, споры бактерий и грибов потоки воздуха заносят в атмосферу на 15–20 км, куда даже не все самолёты залетают. Но выше они пробраться не могут, так как без защиты находящегося на этой высоте озонового слоя жёсткий ультрафиолет стерилизует всё живое. В экспериментальных сверхглубоких скважинах микроорганизмы находили до глубины 3,5–4 км. Некоторые виды прекрасно чувствуют себя в термальных водах гейзеров и вулканов — то есть живут и размножаются при температуре порядка 100 градусов Цельсия и выше. Даже в туннелях под 4-м энергоблоком Чернобыльской электростанции, где произошло разрушение ядерного реактора, обнаружили микрооорганизмы, выживающие в условиях жесточайшей радиации.

Долгое время считалось, что полноценные экосистемы в океане могут существовать только до той глубины, куда проникает свет, а значит, есть фотосинтезирующие организмы как основа пищевой цепи. А дальше, мол, идёт тёмная и холодная «мёртвая зона» с редкими обитателями, поглощающими то, что падает из верхних слоёв воды. Однако в середине XX века в центральных частях океанов, где проходят стыки литосферных плит и постоянно поднимается магма из недр планеты, открыли необычные образования, похожие на вулканы. Они выбрасывают разогретую до 300–400 градусов Цельсия воду, перенасыщенную минеральными солями и тяжёлыми металлами. Из-за колоссального давления на глубине нескольких тысяч метров она не кипит и в свете прожекторов батискафов исходит со дна чёрными вертикальными потоками, получившими за свой вид название «курильщиков».

Каково же было удивление учёных, когда они обнаружили, что в этом аду прекрасно чувствуют себя микроорганизмы, научившиеся в отсутствие света извлекать энергию из химических связей тех соединений, которые выбрасывали «курильщики». Они легли в основу пищевой пирамиды, и вокруг «курильщиков» сформировались настоящие оазисы жизни из моллюсков и рыб, никогда не видевших солнечного света.

Микроорганизмы, способные выживать и размножаться при очень высоких или очень низких показателях температуры, давления, в агрессивной химической среде или других крайне неблагоприятных условиях, называют экстремофильными. Их изучение помогает узнавать пределы приспособляемости жизни. А гены этих «экстремалов» и кодируемая ими биохимия, возможно, помогут не только в будущем земным колонистам осваивать далёкие планеты, но уже сейчас лечить некоторые заболевания.

Учитывая всё вышеприведённое, можно сказать, что в отечественной микробиологии микроорганизмы — это искусственно выделенная разнородная группа объектов микромира (живых организмов и сложных органических молекул), объединённых микроскопическими размерами, относительной простотой устройства и повсеместным распространением в биосфере.

Микробиология же изучает их строение, функционирование, происходящие в них биохимические процессы, размножение и передачу наследственного материала из поколения в поколение, условия обитания и, наконец, изменение с течением времени (эволюцию).

Однако необходимо сказать, что микробиология исследует свой объект — микроорганизмы — не только «самих по себе», но и связь их друг с другом и влияние на макромир (мир, который мы ощущаем непосредственно с помощью органов чувств, в первую очередь — зрения). Особенно это важно для медицинской микробиологии, рассматривающей взаимодействие микроорганизмов, в том числе патогенных, с организмом человека.

Поэтому можно ввести такое определение: микробиология — это наука о микроорганизмах, изучающая закономерности их жизни и развития, а также изменения, вызываемые ими в организме людей, животных, растений и в неживой природе.

Для того, чтобы упорядоченно заниматься изучением всего перечисленного, в микробиологии выделяют ряд разделов. Во-первых, микробиологи предпочитают глубоко заниматься только какой-то одной группой микробов, в крайнем случае — несколькими смежными. Поэтому среди них есть бактериологи, вирусологи, протозоологи. Микология — это наука о вообще всех грибах, но некоторые микологи предпочитают заниматься только микроскопическими их видами, например, дрожжами. Так же, как и некоторые альгологи (вы ведь ещё не забыли, что это учёные, занимающиеся водорослями?). И микробиологи с удовольствием принимают их в свою «компанию».

Кроме того, разделы микробиологии выделяют ещё и по прикладному их значению: по той области хозяйственной деятельности, конкретные задачи которой призвана решать микробиология, или по тому объекту интересов человека, где требуется знание микробиологических аспектов. Это уже упомянутая медицинская микробиология, а также санитарная, ветеринарная, промышленная, почвенная, морская и даже космическая микробиология, изучающая вопросы возможного распространения микробов с естественными (кометы, метеориты) и искусственными (спутники, межпланетные станции) космическими телами, а также решающая проблемы микробного загрязнения на орбитальных станциях. Сюда же входит биотехнология — наука, разрабатывающая способы получения нужных человеку веществ при помощи живых организмов (чаще всего именно микроскопических).

Хотя на самом деле классификации разрабатывают скорее для удобства и наглядности, и абсолютно всё в их рамки не уложить. Теми же прионами из-за их необычности микробиологи вынуждены заниматься совместно с биохимиками и другими учёными — первыми белковую природу этого патогена предположили вообще радиобиолог и биофизик. Впрочем, даже самые первые и самые «микробиологи из микробиологов» Луи Пастер (чьё имя сейчас носит французский институт микробиологии и одно только перечисление заслуг и открытий которого займёт целую страницу) и Роберт Кох (первооткрыватель возбудителя туберкулёза и во многом основоположник бактериологии) внесли фундаментальный вклад в эту науку, микробиологами в нынешнем понимании слова не являясь! Первый был по образованию, как бы это сейчас сказали, «технологом пищевой промышленности», а второй, тоже в современных терминах, — санитарным врачом. Это лишний раз доказывает условность всех классификаций и то, что крупные открытия всегда совершаются людьми широкого кругозора и — на стыке наук.

Например, микробиология чрезвычайно тесно связана со множеством наук и сфер деятельности человека: не только с фундаментальными химией и биологией, но также с генетикой, фармакологией, клинической медициной, химической и пищевой промышленностью, обеззараживанием сточных вод и даже производством материалов для электроники.

Ну а медицинская микробиология идёт рука об руку с иммунологией. Их попросту сложно рассматривать отдельно друг от друга.

Иммунитет, изучением которого занимается иммунология как наука, — это способ защиты организма от антигенов экзогенного (внешнего) и эндогенного (внутреннего) происхождения, направленный на поддержание и сохранение гомеостаза, структурной и функциональной целостности организма, биологической индивидуальности каждого организма и, как следствие, вида в целом.

Сейчас это определение кажется слишком сложным, но по мере чтения книги вы разберётесь в терминах и поймёте, что иммунитет оберегает организм от опасностей внешних (микробы, инородные тела) и внутренних (опухолевые, отмершие и повреждённые клетки). Таким способом он поддерживает постоянство внутренней среды организма (гомеостаз), оберегает от повреждений его геном, что в конечном счёте позволяет живому существу выжить и передать свои гены потомкам.

Ну а в заключение этой главы я хочу обратить внимание вот на что, уважаемый читатель. Классификации и определения очень важны, они — настоящие навигационные карты и маяки в мире микробиологии (да и любой другой науки) и том безграничном «микрокосмосе», который она изучает. Но, чтобы по-настоящему понимать и, главное, любить микробиологию, так важно за строгими терминами и сложными взаимосвязями не терять живую и невероятно интересную связь науки с нашей каждодневной окружающей жизнью. В самом деле: ведь без микроскопических помощников-дрожжей у нас не было бы вкусного хлеба, а без плесени он бы не портился, но зато мы не получили бы из неё первые антибиотики. А если бы Александр Македонский не умер в возрасте 32 лет от инфекции (за давностью лет мы точно не знаем, какой именно, но по известным симптомам выбор лежит между брюшным тифом, малярией и лихорадкой Западного Нила), то вся история человечества могла пойти совсем по другому пути.

Глава 2. Мы были, есть и будем есть!