Мы привыкли считать, что микробы – существа абсолютно безмозглые. Одно слово – простейшие. Но недавно выяснилось, что они умеют “разговаривать” друг с другом и даже создают свои микробские “государства”

Первые жители Земли – микробы – появились 3,9 миллиарда лет назад. В ту пору на планете практически не было кислорода, но им он и не нужен был. Два миллиарда лет они оставались единственными обитателями Земли. Со временем они изобрели фотосинтез, то есть научились превращать солнечный свет в богатые энергией углеводы. Начали вдыхать кислород. Заселили любую пригодную для жизни нишу – от глетчеров до гейзеров. Растения и животные не стали им конкурентами. Микробы изловчились создавать колонии внутри крупных организмов, процветая и размножаясь в этой богатой питательными веществами среде.
В середине ХХ века, особенно после появления антибиотиков, дела микробов казались плохи. Многие инфекционные заболевания, сводившие в могилу миллионы людей – туберкулез, холера, дифтерия и другие, – были почти побеждены. Но потом началось неожиданное. Все чаще смертоносные машины, созданные лучшими фармацевтами мира, давали осечку, стреляли в микробов, а попадали впросак. Микробы были живучее наших представлений о них. В сражении с ними медицинская махина стала пробуксовывать.
Начиная с 1980-х годов в промышленно развитых странах наблюдается рост инфекционных заболеваний. Так, сейчас в мире от заболевания одним лишь туберкулезом ежегодно умирают около трех миллионов человек. А другие инфекции! Медики все чаще говорят о возможной пандемии особо опасной формы гриппа или чего-то подобного. Недаром такой переполох вызвала вспышка атипичной пневмонии. Потом заговорили о птичьем гриппе.

* * *
С середины 1990-х годов в войне с микробами ученые применили новейшее разведывательное средство – лазерный микроскоп. Так впервые открылась жизнь микробов во всей ее обыденности и разнообразии.
До этого считалось как? Бактерии – крайне примитивные организмы. Каждый их вид живет изолированно друг от друга и размножается среди себе подобных. Собственно говоря, так и было… в научных лабораториях, где каждому виду бактерий отдавался во владение свой дворец из стекла или металла – свой лабораторный сосуд. В природе, как показали недавние наблюдения, все наоборот. Микробы действуют на удивление сообща. Возможно, в этом залог их непобедимости.
По словам американского микробиолога Уильяма Костертона, картина, увиденная им в лазерный микроскоп, напоминала «Манхэттен ночью, когда подлетаешь к нему на самолете». Посреди вязкой бактериальной пленки высились «небоскребы» из микробов, достигавшие 200 микрометров в высоту (обычный размер бактерий – 1–10 микрометров). Из дома в дом по целой сети каналов бесперебойно подавались ферменты, питательные вещества и молекулы кислорода, выводились отходы жизнедеятельности микробов. Целые полчища крохотных организмов – бактерии, одноклеточные, вирусы – слонялись по улицам этого «мегаполиса» и пожирали все, что им попадалось. В этом «городе» встречались и редкие «чужеземцы» – черви, грибы, водоросли, миниатюрные клещи и личинки насекомых.
Исследования показали, что обитатели подобных «городов» придерживались принципа разделения труда. Там, например, жили бактерии, которым кислород вреден; у них был штат «телохранителей», защищавших их от этого яда. Без них они бы погибли. Кислород же отводился по каналам «МикробОксигенСети» в те районы города, где жили давние его потребители.

* * *
Бактерии – удивительные мастера выживания. Вот лишь некоторые открытия, сделанные в минувшем году.
. Во время международной экспедиции в Саргассовом море – этой пустыне, лежащей посреди Атлантического океана, – было обнаружено около 1800 неизвестных прежде микробов. Генетики выявили у них более 600 генов, отвечающих за работу фоторецепторов. Возможно, солнечный свет играет в экосистеме морей куда более важную роль, чем считалось прежде. Вообще же, предполагают некоторые ученые, до 99 процентов организмов, населяющих Мировой океан – прежде всего беспозвоночные, – нам пока неизвестны. Их только предстоит открыть.
. Американские исследователи отыскали в одном из горячих источников на дне океана микробов, которые могут выдержать температуру до 130о С. До сих пор не был известен ни один организм, способный выдержать такую жару. Любопытно, что врачи стерилизуют операционные инструменты при более низкой температуре.
. Микробы готовы жить в щелочах. Так, американские ученые выявили колонию бактерий, угнездившуюся в среде с водородным показателем 12,8. С таким же успехом она могла бы процветать в едком натре.
. Среди кислотолюбивых микробов долго первенствовала Thermoplasma acidophilum – она выживала при кислотности, равной 0,4. В середине 1990-х годов было установлено, что бактерии рода Picrophilus могут размножаться в среде с водородным показателем, равным 0, то есть при максимально возможной кислотности.
. Американские исследователи обнаружили в пробах льда, взятых в Гренландии на глубине 3000 метров – там, где лед частично смешался с вечной мерзлотой, – многочисленные колонии микробов: всего около 40 видов. Поражал их возраст – не менее 120 тысяч лет. Некоторые из них, попав в лабораторию, стали размножаться; только делали это раз в пять медленнее, чем обычные микробы. Возможно, они размножались даже в толще льда, но очень медленно.
Они выжили в самых необычных условиях: на холоде, при почти полном отсутствии кислорода и питательных веществ, при очень высоком давлении. Такие микроорганизмы могли бы населять Марс или спутник Юпитера Европу.

* * *
Итак, бактерии живут колониями, выстраивая свои «муравейники» повсюду. В этих крепостях они лучше одиноких собратьев защищены от солнечного света, ветра и радиоактивного излучения. Но раз они поселяются колонией, им надо общаться друг с другом. Как?
Еще в 1960-е годы ученые выяснили, что микробы могут обмениваться информацией. К этому выводу пришли, исследуя поведение морских светящихся бактерий Vibrio fischeri. Эти микробы паразитируют в органе свечения каракатицы и – в награду за гостеприимству – излучают свет. Благодаря «фонарику», вросшему в тело, каракатица находит пищу и высматривает врагов.
Однако светиться есть смысл, когда колония бактерий достаточно велика. Одиночные огоньки микробов ей, каракатице, не нужны. Они хороши, когда сливаются в мощный луч прожектора. Но откуда бактерии знают, сколько их?
Ответ был найден лишь в 1990-е годы. Оказалось, бактерии используют для подсчета сородичей химическую систему связи – так называемый Quorum sensing. В политике кворум – это минимально допустимое число участников собрания, при котором оно правомочно принимать решения. Кворум определяют, сверяясь со списочным составом.
Бактерии же свой кворум подсчитывают химическим путем, выделяя особые сигнальные вещества – феромоны. Их концентрацию они измеряют с помощью специфического рецептора. Пока феромонов мало, а значит, и микробов мало, и действовать сообща им невыгодно – этот рецептор бездействует.
Теперь становится ясно, почему бактерии, сколько мы их ни травим – а в фармацевтике одно супероружие спешит сменить другое, – хилее не становятся. Ведь сообща обитатели «городов-биопленок» в тысячи раз устойчивее к действию антибиотиков, чем одинокие «микробы-хуторяне». Антибиотики хоть и проникают внутрь биопленки, не истребляют там всех микробов. Выживают сильнейшие. Их потомки становятся основным населением колонии, а значит, та будет куда опаснее, чем прежде.
В 2002 году американские микробиологи Элиана Дренкард и Фредерик Осьюбел опытным путем убедились, что из безобидных бактерий можно путем впрыскивания в их колонию нескольких доз антибиотика получить опасных возбудителей заболеваний. Даже когда от колонии микробов остается несколько особей, это не помогает. Вскоре вырастет колония «продвинутых микробов», способных не погибнуть от лекарств.

* * *
С тех пор как мы узнали, что опасны не микробы сами по себе, а их кворум – их роковое количество, стало ясно, что и бороться с ними можно иначе. Надо не уничтожать бактерии, а мешать им общаться друг с другом и подсчитывать кворум. Пусть микробы, даже образовав крупную колонию, по-прежнему верят, что разобщены. Пусть не догадываются, что им пора переходить в атаку. Значит, надо найти те особые вещества, которые подавляют химические сигналы микробов. Но для этого надо досконально понять их тайный язык.
Ключевую роль в общении микробов играют определенные сигнальные молекулы. Какие? В январе 2003 года удалось обнаружить, по-видимому, весьма важную в биологическом микромире молекулу – так называемую Autoinducer I-2. Это своего рода «пиджин-инглиш» микробьего царства – язык межвидового общения. На нем, как установлено, общаются между собой не менее полусотни различных видов бактерий, в том числе кишечная палочка (Escherichia coli).
Фредерик Хьюджсон и его коллеги из Принстонского университета сумели даже поймать эту молекулу с поличным. На бактерии Vibrio harveyi они обнаружили рецептор, к которому и пристыковывалась I-2. Дальнейшие исследования показали, что эта молекула содержит, например, атомы бора. Давно известно, что данный химический элемент как-то воздействует на живые организмы. Как именно, было неясно. Теперь мы начинаем понимать, что бактерии (хотя бы некоторые из них) пользуются этим веществом в общении друг с другом. Зная это, можно не давать им поговорить. Тому есть примеры в живой природе.
Некоторые виды водорослей выделяют фураноны – вещества, которые мешают образованию на стеблях налета бактерий. Подобную стратегию микробиологи хотят использовать и в борьбе с возбудителями болезней. Нужно понять лишь, какими веществами удастся подавить активность сигнальных молекул. Так, Ханс-Курт Флеминг из Дуйсбургского университета предлагает использовать протеазы – ферменты, расщепляющие протеины. Если сигнальные молекулы будут распадаться, то и «перепись населения» в мире бактерий не состоится.
Если надежды ученых сбудутся, то в медицине произойдет качественно новый скачок. Не секрет, что операции по протезированию или трансплантации органов нередко проходят с осложнениями. Возникают воспалительные процессы. Если же удастся помешать образованию бактериальных пленок на протезах и имплантатах, то эти операции получат самое широкое распространение. Пару веков назад простое переливание крови было своего рода «русской рулеткой». В будущем же и пересадка органов может стать чем-то вроде зубного протезирования. Как полагают исследователи, наши успехи в изучении тайного языка микробов позволят нам наконец контролировать развитие эпидемий.

А.ВОЛКОВ