Книга: Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

Глава 2. Знакомьтесь: бактерии

Глава 2. Знакомьтесь: бактерии

Вероятно, один из величайших парадоксов в истории биологии заключается в том, что бактерии, являющиеся древнейшими самовоспроизводящимися организмами на Земле, были обнаружены едва ли не в последнюю очередь и по большей части игнорировались. Их открытие, как часто случается в науке, было связано с развитием новых технологий – в данном случае с изобретением микроскопа и затем генного секвенсора. Недостаток внимания к этим организмам происходит главным образом от нашей собственной предвзятости в наблюдениях: мы склонны не замечать того, чего не можем увидеть. Из-за этого мы смогли добиться величайших успехов в астрономии, наблюдая видимые объекты, удаленные от нас на расстояние сотен миллиардов миль, задолго до того, как сумели осознать роль микроорганизмов, живущих на нашей собственной планете. Давайте коротко рассмотрим историю открытия бактерий.

В XIV столетии в Европе изготавливались примитивные линзы (названные так по форме чечевичного зерна – lens по-латыни, имеющего двояковыпуклый профиль) для коррекции зрения. Тогда же бродячие артисты начали разрабатывать методы проецирования изображений на экран при помощи простейшей камеры-обскуры. Для камеры-обскуры линза не требуется – это ящик или даже небольшая комната с отверстием, пропускающим свет, благодаря чему на заднюю стенку ящика проецируется перевернутое изображение того, что находится снаружи. Внутри такого ящика можно проследить траекторию светового луча. Отслеживая траектории лучей и экспериментируя со стеклянными линзами, расположенными внутри ящика, мастера начали понимать, как изготавливать линзы.

К концу XVI века голландцы начали работать с итальянским стеклом, изготовленным в Венеции. В то время венецианское стекло стоило очень дорого, поскольку оно было наиболее прозрачным и высококачественным из всех возможных вариантов. С его помощью голландцы начали изготавливать линзы относительно высокого качества. В начале XVII столетия двое голландских мастеров, вставив вогнутую и выпуклую линзы внутрь трубы, сконструировали телескоп. Хотя этот инструмент представлял собой не более чем примитивную подзорную трубу с увеличением приблизительно в семь или восемь раз, это был огромный прорыв в технологии того времени. До сегодняшнего дня изготовители приборов используют те же самые основные формулы, разработанные пионерами в этой новой области знаний – оптике – благодаря прослеживанию траектории лучей света в темном ящике.

В 1609 году Галилео Галилей при помощи телескопа, сделанного в Италии по проекту голландского мастера, обнаружил, что спутники Юпитера обращаются вокруг этой планеты, а не вокруг Земли. Хотя инструмент Галилея имел всего лишь приблизительно двадцатикратное увеличение, этого было достаточно, чтобы позволить ученому разглядеть вблизи то, что люди уже могли наблюдать невооруженным взглядом: планеты, звезды и Луну. Его наблюдения поколебали доминирующую в то время птолемеевскую, или геоцентрическую, систему, ставившую Землю в центр Вселенной и утверждавшую, что Солнце и планеты вращаются вокруг Земли, а не наоборот. Однако Галилей открыл для нас нечто более фундаментальное, нежели просто наблюдение за звездами: он показал нам наше место, о котором мы не знали и которое делало нас менее значительными. Земля стала всего лишь одной из планет среди нескольких других, входящих в нашу Солнечную систему. Галилей прекрасно понимал, насколько важным является открытие им спутников, вращающихся вокруг Юпитера. Он изменил представление людей о нашей планете, нас самих и особых отношениях, связывающих нас со Вселенной (а отсюда и о том, что мы занимаем особое место в глазах Бога).

Хотя рассказов о Галилее и его телескопе существует предостаточно, менее известен тот факт, что он являлся также изобретателем микроскопа. К тому времени люди уже несколько лет знали, что, если просто повернуть телескоп с двумя линзами другим концом, можно увеличить объекты, находящиеся вблизи. Вы можете проделать это у себя дома, поглядев с обратной стороны в один из окуляров бинокля и держа какой-либо предмет, скажем кончик вашего пальца, близко к линзе с другой стороны. (Такое использование бинокля может стать великолепным подспорьем в экспедиции.)

Микроскоп Галилея, сконструированный приблизительно в 1619 году, был всего-навсего непреднамеренным дополнением к изобретению телескопа: Галилей перевернул оптическую схему телескопа и поместил ее в новый корпус. По размерам этот микроскоп был меньше своего предшественника телескопа; две линзы располагались в цилиндрическом футляре из дерева и кожи. Впрочем, у Галилея не возникло большого интереса к тому, что он увидел в своем перевернутом телескопе. По-видимому, он почти не делал попыток понять, а тем более интерпретировать представшие перед ним мельчайшие объекты. Фактически это имело для него настолько небольшое значение, что лишь в 1625 году он дал своему изобретению название microscopio. Можно увидеть иронию судьбы в том, что во время эпидемии чумы – бактериального заболевания, переносимого с укусами блох, – Галилей делал зарисовки блох, которых наблюдал под своим микроскопом. Впрочем, эти рисунки не получили большого распространения, и его инструмент продолжал бездействовать в Италии, используемый лишь изредка.

Различие между телескопом и микроскопом заключается не просто в конфигурации линз – оно состоит также в человеческом восприятии и ожидании того, что предполагается увидеть. Хотя недостаток восприятия может быть частично отнесен на счет нашего самомнения, мне кажется, что чаще всего причина заключается в том, что мы не ищем природные закономерности в местах, обычно недоступных для наших ограниченных чувств. Мы можем наблюдать удаленные объекты невооруженным глазом. Кометы, метеориты, планеты, спутники, звезды и даже сверхновые можно увидеть без телескопа, и поэтому, когда мы приближаем их для более внимательного рассмотрения при помощи такого инструмента, как телескоп, эти отдаленные объекты не кажутся нам такими уж загадочными – лишь в некоторой степени. А вот объекты, размеры которых значительно меньше толщины волоса (около десятой доли миллиметра), наши глаза не способны различить без увеличительного приспособления. В масштабах микроскопических структур нас можно считать практически слепыми. Мы видим невооруженным глазом Луну, но не клетки собственного тела. Мы видим звезды, но не видим молекулы. Мы видим далекие галактики, но не видим атомы. Если мы даже не осознаем, что мир микроорганизмов существует, с какой стати нам его искать?

Открытие микроскопического царства, подобно многим другим научным открытиям, было случайностью, которая изменила мир не менее кардинально, чем обнаруженные Галилеем спутники Юпитера. Для этого потребовалась не только настройка инструментов, но также и соответствующая настройка ума. Завеса была приподнята в 1665 году, когда Королевское научное общество опубликовало первый общедоступный научный труд под названием «Микрография» (с подзаголовком: «…или Некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные при помощи увеличительных стекол, с последующими наблюдениями и изысканиями»). Автором книги был Роберт Гук – тридцатилетний горбун, вздорный, невротичный ипохондрик, являвшийся в то же время блестящим ученым-естествоиспытателем, энциклопедистом и одним из основателей Королевского общества.

Рис. 3. Рисунок Роберта Гука, изображающий тонкий срез пробкового материала. Гук дал мельчайшим пустотам, разделенным перегородками, название «клетки». Рисунок воспроизводится по книге Гука «Микрография», впервые опубликованной в сентябре 1665 года (© Королевское научное общество)

«Микрография» захватила воображение многих людей. Помимо пятидесяти семи превосходных гравюр по детальным иллюстрациям автора, а также подробного описания своего микроскопа, Гук предлагал вниманию читателей строение организма блохи (очевидно, в Англии их водилось не меньше, нежели в Италии), семени тимьяна, глаза муравья, внутреннее устройство губок, микроскопические грибы и мельчайшие «кирпичики», из которых состоят растения. Последние он смог наблюдать, отрезав тонкую пластинку пробки перочинным ножом, «заточенным до остроты лезвия бритвы». В этих тонких пробковых пластинках он нашел миниатюрные структуры, показавшиеся ему похожими на кельи, в которых жили монахи, ввиду чего Гук назвал эти микроскопические структуры «клетками»[1].

Исследуя другие растения, он обнаружил, что эти «клетки» распространены повсеместно – Гук описал их у нескольких других видов растений, включая фенхель, морковь, лопух и т. д. В конечном счете «Микрография» оказалась первым научным бестселлером. Сэмюель Пипс, купивший экземпляр книги вскоре после ее выхода в свет, записал в своем дневнике: «Перед сном я просидел до двух часов ночи в своей комнате, читая “Микроскопические наблюдения” мистера Гука – самую оригинальную книгу, какую мне только доводилось держать в руках». Второе издание «Микрографии» было отпечатано Королевским обществом через два года после того, как было распродано первое. С тех пор книга множество раз переиздавалась; она пользуется спросом и по сей день.

Наблюдения проводились Гуком при помощи относительно простого оптического микроскопа с двумя линзами. В то время мастера, изготавливающие инструменты, имели дело с телескопами и поэтому конструировали микроскопы с двумя линзами, весьма похожие на инструмент Галилея, поскольку определение траектории луча ясно показывало, что такие инструменты должны работать. Однако при этом возникала существенная непредвиденная проблема, которой не было в случае телескопов: в таких простых оптических микроскопах первая линза создавала многоцветное гало, которое затем увеличивалось второй линзой. В результате чем больше было увеличение, тем больше было искажение изображения объекта.

Микроскоп, которым пользовался Гук, был изготовлен Кристофером Коком, весьма искусным лондонским мастером. Это было любовно выполненное, затейливо украшенное изделие, стоившее небольшое состояние, однако оптика в нем оставляла желать лучшего. Такой микроскоп давал сильную оптическую аберрацию, которой тогдашние изготовители линз не могли избежать. Самый лучший инструмент, как бы любовно ни украшал его изготовитель, мог увеличить объект не более чем двадцатикратно; далее он становился почти бесполезен. И даже при столь небольшом увеличении изображение выходило нечетким, так что порой требовалась толика воображения, чтобы восстановить структуру наблюдаемого объекта. Тем не менее мастерские иллюстрации Гука имели в то время ошеломляющий эффект, и выход в свет «Микрографии» возбудил интерес к конструированию более совершенных линз.

В 1671 году, спустя целую жизнь после открытий Галилея и через тридцать шесть лет после его смерти, Антон ван Левенгук, голландский торговец тканями из Дельфта, сконструировал новый телескоп с гораздо более скромной отделкой, оптика которого была проще и, как ни странно, лучше – она допускала гораздо большее увеличение без искажений, характерных для более изощренных и дорогостоящих инструментов. Вместо двух линз Левенгук брал раскаленные стеклянные стержни, вытягивал их в нити и затем, вновь нагревая эти нити, формировал из них маленькие стеклянные сферы диаметром примерно от полутора до трех миллиметров. При изготовлении таких линз приходилось идти на компромисс: чем меньше линза, тем большее увеличение она может дать, однако вместе с тем меньше оказывается и поле наблюдения. Левенгук брал лучшее венецианское стекло и, очевидно, должен был каким-то образом полировать свои линзы – детали технологического процесса оставались секретом, который он так и не раскрыл.

Рис. 4. Изображение микроскопа, которым пользовался Роберт Гук, выполненное самим Гуком и опубликованное в «Микрографии». Этот микроскоп, состоявший из двух линз, удерживаемых в нужном положении затейливо украшенной трубкой, давал приблизительно двадцатикратное увеличение. Свет солнца или масляной лампы мог быть сфокусирован на образце при помощи сферической емкости с водой (© Королевское научное общество)

Левенгук за свою жизнь сконструировал около пятисот микроскопов, так что у него в любой момент имелось под рукой некоторое их количество, чтобы производить необходимые наблюдения. Сами инструменты были относительно просты.

Рис. 5. Изображение микроскопа, изобретенного и применявшегося Антоном ван Левенгуком. Одиночная сферическая линза располагалась в небольшом углублении между двумя пластинами. Образец закреплялся перед линзой при помощи небольшого винта, и наблюдатель, приблизив глаз к линзе, должен был держать микроскоп против света. Несмотря на свою простоту, микроскопы такого типа позволяли получить увеличение вплоть до четырехсоткратного в зависимости от качества и размера линзы

Одиночная сферическая линза помещалась в углублении между парой серебряных пластин. Образец закреплялся позади пластин, и его положение корректировалось винтовым механизмом. Наблюдатель приближал инструмент к своему глазу, держа его так, чтобы свет солнца или свечи освещал объект. Лучшие из таких инструментов позволяли получить приблизительно трехсоткратное увеличение, что почти соответствует мощности того микроскопа, который купил мне отец, когда мне было девять лет. С помощью таких инструментов можно наблюдать клетки крови и спермы животных, а также одноклеточные организмы, включая «анималькули»[2], наблюдавшиеся Левенгуком. Собственно, последние и были теми организмами, которые впоследствии станут называться микробами.

В октябре 1674 года Левенгук заболел и записал в своем дневнике (по-голландски): «Прошлой зимой, когда я чувствовал себя очень плохо и почти лишился вкуса, я рассмотрел внешний вид своего языка, весьма обложенного, в зеркале и рассудил, что потеря вкуса вызвана толстым слоем налета на моем языке». Затем он исследовал при помощи своего микроскопа бычий язык и обнаружил на нем «весьма тонкие остроконечные выросты», содержащие «очень маленькие шарики», – так он описал вкусовые сосочки. После этого он заинтересовался тем, как мы ощущаем вкус, и принялся исследовать водяные настои различных специй, включая черный перец.

В 1676 году Левенгук увидел, что перечная вода в бутыли, стоявшей на полке в его лаборатории на протяжении трех недель, помутнела. Рассматривая мутный осадок в один из своих микроскопов, он с удивлением обнаружил плавающие в воде мельчайшие организмы диаметром всего лишь от одного до двух микрон, что составляет приблизительно одну сотую диаметра человеческого волоса! Левенгук зарисовал эти клетки и записал:

«Я увидел огромное множество живых существ в одной капле воды, количеством не менее восьми или десяти тысяч, и в микроскопе они предстали перед моим взором столь же обыденными, каким песок выглядит для невооруженного глаза».

Рис. 6. Изображение анималькулей, то есть микробов, открытых Антоном ван Левенгуком. В XVII и XVIII веках считалось, что микробы являются микроскопическими животными, у которых имеются головы и желудки, а их потомство возникает в результате сексуального контакта между самцами и самками одного вида

Открытие анималькулей само по себе было непредвиденным. Это было все равно что наблюдать спутники Юпитера, но в отсутствие планеты, вокруг которой они вращаются. Оно указывало на неисчислимое множество невидимых организмов, присутствующих прямо здесь, на Земле. Левенгук не имел ни малейшего представления о том, что эти организмы представляют собой в действительности. Он считал их в буквальном смысле необычайно маленькими животными, у которых есть внутренние органы, такие как желудок и сердце, в точности как у больших животных, которых мы видим невооруженным глазом.

Поистине замечательно, что инструменты с одной линзой, сконструированные Левенгуком, позволяли ему увидеть организмы столь маленького размера, однако даже при помощи самых лучших линз того времени он не смог бы различить их внутреннее строение. Тем не менее Левенгук совершил нечто еще более кардинальное: вслед за открытием организмов в перечной воде он исследовал соскобы с собственной ротовой полости. Каково же было его изумление, когда он впервые обнаружил присутствие анималькулей на своих зубах и деснах! В этом Левенгук поистине опередил других естествоиспытателей – он первым открыл, что мы не единственные, кто обитает в наших телах. Мы являемся носителями анималькулей. И в самом деле, как будет показано позднее, мы и другие подобные нам животные даем прибежище огромным количествам простейших организмов и помогаем им распространяться по поверхности планеты посредством наших экскрементов и выделений. Левенгук заметил также, что, после того как он попил утром горячего кофе, анималькули в его ротовой полости погибли – это было первое наблюдение того факта, что при высокой температуре микробы погибают. Впоследствии Левенгук занялся описанием различных форм и относительных размеров микробов, обнаруженных им в собственной слюне и других водных средах. Его простая зарисовка позднее станет основой для систематизации микроорганизмов.

Когда Левенгук прислал для публикации в «Философских трудах», новом – и первом – научном журнале Королевского общества, свое письмо на семнадцати с половиной страницах, где описывал открытие анималькулей, оно было встречено с огромным скептицизмом. Даже Гук посчитал, что это какая-то ошибка; он послал в Дельфт английского викария и нескольких других достойных доверия наблюдателей, уполномоченных Королевским обществом, чтобы подтвердить отчеты Левенгука. Наблюдатели были поражены не менее, чем сам Гук и его лондонские коллеги. В 1677 году результаты наблюдений Левенгука, теперь удостоверенные комиссией, были опубликованы Королевским обществом (на английском языке – они были переведены с голландского при содействии Гука, выучившего этот язык специально для того, чтобы прочесть записи Левенгука). В 1780 году Левенгука избрали «иностранным членом» Королевского общества, однако он так и не побывал в Лондоне.

Левенгук обладал настоящим творческим даром. Он не имел формального высшего образования и не обучался ни в одном из университетов. Ему не были знакомы ни латынь, ни греческий – два языка, обязательные для всех образованных людей того времени; он писал исключительно по-голландски. Свои микроскопы Левенгук конструировал в качестве развлечения и многие из них раздал знакомым, но никогда не продавал. Двадцать шесть своих инструментов он завещал Королевскому обществу; все они впоследствии оказались «позаимствованы» членами этой достойной коллегии ученых, и с тех пор оригиналов больше не видели. Остальная часть его коллекции была распродана на вес серебра или других металлов, составлявших основу инструментов. За свои девяносто лет жизни Левенгук стал отцом пятерых детей, но лишь одна девочка, Мария, дожила до зрелого возраста, так что его научное наследие почти полностью погибло после его собственной смерти в 1723 году.

Хотя Левенгука часто называют отцом микробиологии, у него был соратник и посредник, приведший его к славе, – Гук. Подобно связи, возникшей на полтора столетия позднее между Лайелем и Дарвином, Гука и Левенгука объединял своего рода симбиоз. Два этих выдающихся человека сыграли решающую роль катализатора в неминуемом открытии невидимого мира. Что касается личных отношений, оба были чрезвычайно великодушны друг к другу вплоть до конца жизни.

Описание и перепись микробов, по всей видимости, поддерживали представление о спонтанном зарождении жизни (в перечном настое, ни больше ни меньше!) – якобы организмы могут возникать из неживых или неорганических источников без очевидной линии наследственности. Так, например, было общепринятым мнение о том, что черви могут зарождаться в мертвом мясе, а осы возникать из закопанных лосиных рогов. В спонтанное зарождение жизни верило большинство людей того времени. Левенгук отрицал это представление, но не мог доказать, что оно неверно. Роль микроорганизмов в биологическом функционировании живых существ практически игнорировалась, и прошло более 200 лет, прежде чем эти организмы вновь удостоились серьезного внимания. Как ни странно, но в то время как фундаментальные научные открытия XVII века – гравитация, световые волны, обращение планет вокруг звезд, а также невероятные вершины научной абстракции, достигнутые в математике, – порождали мощные волны дальнейших открытий в физике и химии, не менее фундаментальные открытия в биологии в целом тащились позади и признавались значительными лишь в связи с проблемами человеческого здоровья.

Ни у Гука, ни у Левенгука не было учеников, и, хотя «Микрография» с успехом распродавалась в 1665 году и еще несколько лет после этого, Левенгук своей книги так и не написал, а его заметки не вызвали особого интереса у читателей. Ни Левенгук, ни Гук не оставили биологических наследников, и в отличие от Галилея ни у одного из них не было и непосредственных наследников интеллектуальных. Интерес к перечной воде постепенно угасал. В XVIII столетии мир микробов снова стал невидимым миром, в то время как естествоиспытатели-натурфилософы обратились к вопросам эволюции растений и животных и последовательностей геологических структур, содержащих органические останки. Стоило ли покупать дорогостоящий и хрупкий микроскоп для того, чтобы стать ученым-любителем, когда для этого требовался лишь молоток, которым можно было отбивать образцы горных пород.

Возрождение в изучении микроорганизмов началось лишь в середине XIX века. Его поборником стал ныне почти позабытый герой – Фердинанд Юлиус Кон. Кон, еврейский мальчик-вундеркинд, родился в прусском городе Бреслау (ныне Вроцлав, Польша) в 1828 году. Рассказывают, что он выучился читать, когда ему еще не минуло двух лет, пошел в среднюю школу в семь и поступил в университет Бреслау в четырнадцать. Несмотря на то что он выполнил все требования для получения степени, университет Бреслау отказался признавать его выпускником из-за повсеместно распространенного в тогдашней Пруссии антисемитизма. Кон завершил свое обучение в Берлинском университете, получив докторскую степень по ботанике в возрасте девятнадцати лет, и в 1849 году вернулся в университет Бреслау. В том же году отец купил ему самый дорогой и лучший из доступных в то время инструментов – микроскоп работы Симона Плёссля. Такой микроскоп наверняка вызвал бы у меня чувство зависти. Плёссль был австрийским инструментальным мастером, который нашел способ скорректировать большинство оптических аберраций, присущих микроскопам и телескопам с несколькими линзами. Изобретенная им конструкция объектива используется и по сей день.

Интерес Кона к микробам еще больше возрос благодаря его собственным наблюдениям, сделанным с помощью отцовского подарка. В Берлинском университете его побуждали к изучению одноклеточных водорослей двое выдающихся профессоров: Иоганн Мюллер и Христиан Эренберг. Последний был одним из известнейших немецких ученых того времени. Именно он определил диатомовые водоросли – один из типов одноклеточных водорослей – в частицах пыли, собранных Дарвином на Азорских островах во время путешествия на «Бигле»; таким образом, впервые было обнаружено, что микроорганизмы могут переноситься в атмосфере на далекие расстояния при помощи ветра. Также именно Эренберг показал, что мел состоит из останков микроскопических организмов, и это наблюдение впоследствии подтолкнуло ученых к поискам ископаемых микроорганизмов в горных породах.

По мере того как энтузиазм Кона возрастал, а оптика в микроскопах совершенствовалась, его все больше начинали интересовать одноклеточные водоросли и бактерии – или, во всяком случае, то, что он считал бактериями. Получив традиционное биологическое образование того времени, он принялся за классификацию бактерий в их связи с другими организмами. Классификация организмов по отношению к прочим организмам – безопасный и самоочевидный путь для биолога, и он остается таковым по сей день. Кон ничего не писал о происхождении жизни или эволюции микроорганизмов, но именно он дал определение бактериям как одноклеточным организмам, лишенным хлорофилла – зеленого пигмента, характерного для одноклеточных водорослей и высших растений. Хотя Кон прекрасно знал, что большинство бактерий не принимают участия в процессе фотосинтеза, он отнес их к одноклеточным водорослям, то есть к растениям. В традициях того времени Кон попытался разделить микроорганизмы на типы, основываясь в первую очередь на их форме, – простая система, изобретенная Левенгуком более столетия тому назад, которая и до сих пор бывает иногда полезна в качестве общего руководства (впрочем, в двадцатом столетии ее роль заняла технология секвенирования молекул).

Вероятно, наиболее важным вкладом Кона было то, что он вновь открыл микробиологию как науку. Как в свое время Левенгук, он показал, что микробы окружают нас повсюду: они находятся в воде, почве и воздухе, в нашей ротовой полости и кишечнике, на наших руках, одежде и в пище. Однако в отличие от большинства своих современников Кон не ограничивался рассмотрением микробов как возбудителей человеческих заболеваний. Действительно, он работал над бактериальными заболеваниями растений и животных и, хотя пользовался гораздо меньшей популярностью, чем Пастер, обладал гораздо большей широтой взглядов. Он увидел в бактериях организмы, способствовавшие формированию химического круговорота Земли – планетарного метаболизма. На ранних этапах моего научного пути Кон служил для меня источником вдохновения. Это был удивительный человек, первопроходец в области микробиологии окружающей среды.

Рис. 7. Изображение различных форм микроорганизмов, описанных Фердинандом Коном в его трактате ?ber Bakterien: Die Kleinsten Lebenden Wesen, вышедшем в свет в 1875 году. Он охарактеризовал эти организмы как связанные с одноклеточными водорослями и растениями и разделил их по форме на четыре категории: 1) сферобактерии (сферические бактерии); 2) микробактерии (короткие палочки); 3) десмобактерии (прямые нити); 4) спиробактерии (спиральные нити). Эта простая базовая система описательной классификации оказалась состоятельной и сохранилась до настоящего времени

Одним из нововведений, внесенных Коном в микробиологию, был способ изоляции отдельных штаммов, то есть генетически однородных вариаций видов микроорганизмов. Он разработал методику выращивания бактерий в жидкой среде с добавлением определенного питательного вещества, побуждавшего тот или иной штамм к быстрому росту. В 1876 году, два столетия спустя после того, как Левенгук описал открытые им микроорганизмы, Кона посетил немецкий сельский врач Роберт Кох, чтобы спросить совета по поводу своей работы с сибирской язвой. Кох выделил в почвенной вытяжке потенциальную бактерию сибирской язвы в стадии покоя и разработал новую методику для ее выращивания. Его подход отличался простотой, остроумием и уникальностью. В основе лежала изоляция микроорганизмов на поверхности геля, где могли развиваться колонии, выращенные из одной клетки. Основной принцип привел Коха к методике, заключавшейся в том, что питательные вещества растворялись в геле, полученном из морских водорослей (агар) в качестве среды для выращивания колоний. Эта смесь еще в виде разогретой жидкости распределялась по поверхности маленького плоского стеклянного блюдца с такой же крышкой – это приспособление изобрел ассистент Коха Юлиус Петри. Когда среда вместе с питательными веществами достигала комнатной температуры, она образовывала гель, по поверхности которого микроорганизмы распределялись при помощи зубочистки. Затем микроорганизмы образовывали колонии, после чего их можно было отбирать с поверхности геля и выращивать заново. Этот процесс повторялся до тех пор, пока не удавалось изолировать лишь один штамм бактерии. Использование агара и специальных чашек для выращивания бактерий сделало возможным выделение чистого штамма сибирской язвы. Поразительно, что Кох сам не заразился собственными культурами. Сегодня мы пришли бы в ужас, если бы какой-нибудь ученый-любитель принялся выращивать штаммы сибирской язвы в лаборатории у себя дома или в гараже.

Опираясь на методику очищения культур, разработанную им совместно с Петри, Кох выработал ряд постулатов, до нынешнего дня остающихся основой для идентификации инфекционных заболеваний. Они состоят в следующем: 1) микроорганизм должен всегда находиться в больных организмах и отсутствовать во всех здоровых; 2) микроорганизм должен быть выделен и выращен в чистой культуре; 3) очищенный микроорганизм должен быть способен при контакте инфицировать здоровый организм; 4) микроорганизм должен быть идентифицирован и выделен в контактировавшем организме. Применяя эти четыре условия, Кох экспериментально доказал, что бактерия сибирской язвы ответственна за соответствующее заболевание у коров. Это был первый случай, когда без тени сомнения было доказано, что заболевание вызывается микроорганизмами.

На Кона произвели чрезвычайное впечатление логика и скрупулезные методы Коха. Он опубликовал его статью в ботаническом журнале за 1886 год, и Кох, воодушевляемый Коном, принялся за дальнейшие исследования холеры и туберкулеза с целью показать, что они также являются бактериальными заболеваниями. В 1905 году Кох получил Нобелевскую премию, а его постулаты на десятилетие стали основополагающими догмами. Представление Коха о том, что микроорганизмы могут выделяться и выращиваться в виде культур, преобладало в микробиологическом сообществе вплоть до семидесятых годов XX столетия. Это была логичная идея, оказавшая большое влияние на идентификацию микроорганизмов в случаях заболеваний, однако упомянутые выше догматические постулаты совершенно непредумышленно оказали некоторое негативное влияние на исследования в области экологии и эволюции микроорганизмов.

На протяжении десятилетий микробиологи терпеливо выделяли виды микроорганизмов. Без сомнения, изучение индивидуальных организмов в изоляции помогло нам понять основные характеристики того, как тот или иной вид обеспечивает себе жизнь. Но такой подход также привел к предвзятости нашего понимания функционирования микробиотических сообществ. Это все равно что экстраполировать поведение африканских цихлид в моем аквариуме на их поведение в озерах, в их естественной среде обитания. Аквариум не является для них естественной средой. То же можно сказать и о чашке Петри или лабораторной пробирке с жидкой средой, где содержатся питательные вещества в концентрации, в тысячу раз превышающей ту, что существует в океане или озере. Тот факт, что ученые на самом деле не знали, как следует выращивать микроорганизмы, стал очевидным лишь во второй половине XX века, когда стало ясно, что микробы – социальные организмы, живущие в сложных сообществах. Социальную организацию микроорганизмов мы рассмотрим немного позже.

В 1977 году, через триста лет после того, как Левенгук сообщил о самом существовании микроорганизмов, Карл Вёзе и его коллега Джордж Фокс – оба биохимики и генетики из Иллинойского университета – сообщили о том, что все живые организмы могут быть разделены на три основные категории в зависимости от вида их внутриклеточных структур, называемых рибосомами. К тому моменту было широко известно, что рибосомы существуют у всех микроорганизмов, однако некоторые организмы не содержат внутри своих клеток структуры, покрытые оболочкой, в то время как у других такие структуры есть. Реферат статьи этих ученых, опубликованный в журнале «Труды Национальной академии наук США», состоял из одного предложения: «Филогенетический анализ, основанный на характеристиках последовательностей рибосомных РНК, показал, что все живые системы могут быть отнесены к одной из трех аборигенных линий происхождения: 1) эубактерии, включающие в себя все типичные бактерии; 2) архебактерии, к которым относятся метанообразующие бактерии; 3) уркариоты, не представленные в цитоплазменном компоненте эукариотических клеток».

Еще более важной оказалась очевидная взаимосвязь организмов друг с другом. Мало того что животные и растения представляют собой лишь маленькие отростки на древе жизни – как выяснилось, животные весьма тесно связаны с грибами. На первый взгляд не кажется очевидным, что какой-нибудь шампиньон приходится более близким родственником комару, слону или нам самим, нежели высшим растениям, однако это так и есть. В частности, Вёзе и его коллеги показали, что все живые организмы могут быть размещены на древе жизни в зависимости от истории формирования их механизма синтезирования белков.

Нам всем известны некоторые из белков – это вещество яичного белка, из них состоит наша кожа, наши волосы, наши ногти, волокна наших мышц. Они же являются ферментами – молекулами, превращающими то, что мы едим, в энергию и материал для наших тел. Без белков клетки не смогли бы выполнять никакую работу. А если клетка не может работать, она не может и воспроизводиться.

Ключевым компонентом в формировании белков являются рибосомы. Они представляют собой сложные наномеханизмы, состоящие из белков и рибонуклеиновых кислот, или РНК. Вёзе и Фокс секвенировали молекулы РНК в рибосомах и обнаружили, что в последовательности составляющих их элементов имеются тонкие, но существенные различия (они исследовали двенадцать видов живых организмов, куда входили пять видов бактерий, четыре вида метанпродуцирующих микроорганизмов, экземпляр дрожжей, маленькое растение – ряска, а также клетка из организма мыши). Ученые выяснили, что последовательности РНК в рибосомах бактерий имеют большее сходство друг с другом, чем с таковыми у дрожжей, ряски или мыши, и имеют также отчетливые различия с последовательностями у микроорганизмов с метановым метаболизмом. Эта работа продемонстрировала, что, несмотря на разделение живых существ на три надцарства, все они связаны друг с другом посредством последовательностей РНК в своих рибосомах.

Поскольку рибосомы имеются у всех организмов, Вёзе и его коллеги приняли как аксиому мнение о том, что все организмы на Земле являются потомками одного, ныне вымершего общего предка. В противном случае пришлось бы выдвинуть абсурднейшее и самое невероятное предположение, а именно, что рибосомы развились у миллионов видов независимо, создав весь спектр жизненных форм, которые мы наблюдаем сейчас. В сущности, Вёзе подтвердил идею Дарвина о том, что вся жизнь на Земле восходит к одному древнему прародителю. Информация, сохранившаяся в существующих ныне рибосомах, потенциально позволяет нам воссоздать взаимосвязи между всеми организмами. Изначальная эволюция наномеханизма, ставшего впоследствии рибосомой, пока остается неясной. Однако у бактерий и у нас мог быть лишь один общий предок, и этот предок не мог быть ничем иным, как микроорганизмом. Дарвин, Гук и Левенгук были бы, наверное, поражены до глубины души, узнав, что между всеми живыми существами может быть выстроена взаимосвязь на основе строения их внутреннего механизма, ответственного за выработку белков.

Рис. 8. Древо жизни по Карлу Вёзе и Джорджу Фоксу, где живые организмы соотносятся друг с другом на основании последовательностей рибосомальных РНК. Вёзе и Фокс открыли, что бактерии в действительности составляют два надсемейства ощутимо различающихся между собой организмов – бактерий и архей. Более того, животные и растения являются подгруппами в пределах более крупного семейства эукариотов. Подавляющее большинство организмов, составляющих это древо жизни, являются микроорганизмами В 1990 году, основываясь на последовательностях нуклеиновых кислот в рибосомах, над которыми он и его коллеги работали несколько лет, Карл Вёзе нарисовал универсальное филогенетическое древо жизни. Это древо имело фундаментальные отличия от того, каким оно представлялось Дарвину. Как выяснилось, жизнь на Земле сводится далеко не только к растениям и животным – она представляет собой нечто гораздо, гораздо большее, чем могли себе вообразить Левенгук, Гук или даже Дарвин. Подавляющее большинство живых существ на Земле – это микроорганизмы! И видов микроорганизмов существует гораздо больше, нежели видов всех растений и животных вместе взятых. Мы пока еще не знаем точного числа этих видов, но оно составляет несколько миллионов как минимум. Что мы можем сказать точно, так это то, что базовая структура древа жизни помогла нам понять, что вся ныне существующая на Земле жизнь произошла от одного вымершего микроорганизма.

Однако если у всех живых существ имелся общий микроскопический предок, то когда этот предок мог появиться на Земле?