Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Глава 4. Путеводитель наблюдателя за E. coli

Глава 4. Путеводитель наблюдателя за E. coli

Человеческий кракатау

26 АВГУСТА 1883 Г. родился новый маленький мир. Островной вулкан Кракатау, расположенный в Зондском проливе между Явой и Суматрой, выбросил в воздух на 20 миль в высоту столб дыма и пепла. Камни превратились в пар, который с ревом мчался по проливу со скоростью едва ли не 500 км/ч. После извержения на месте, где находился конус вулкана, осталась подводная впадина и несколько безжизненных островков. Натуралист, посетивший один из островов девять месяцев спустя, написал, что единственным живым существом, которое ему удалось обнаружить на острове, был крохотный паучок.

Новые острова Кракатау лежат в сорока с лишним километрах от ближайшей суши, и жизни потребовался не один год, чтобы перебраться через водную преграду и вновь освоить эти земли. Сначала поверхность вулканического пепла затянула пленка сине — зеленых водорослей. Появились лишайники, мхи и папоротники. К концу XIX в. на островах образовалась саванна. Помимо пауков появились жуки, бабочки и даже вараны. Представители одних видов приплыли на острова, другие прилетели, а некоторых просто принесло ветром.

Биологические виды осваивались на островах вовсе не беспорядочно. Сначала появлялись выносливые первопроходцы, которые затем заменялись другими биологическими видами. Постепенно саванна уступила место лесам. Выросли кокосовые пальмы и фиговые деревья. После этого на острова уже могли переселяться орхидеи, инжирные наездники и другие привередливые виды. Первопоселенцы, такие как полосатая горлица, больше не находили себе места в пищевой цепи и в конце концов исчезли. Даже сегодня, 120 лет спустя после извержения, освоение Кракатау еще не закончилась. В будущем эта земля, возможно, будет готова принять бамбук, который произведет в ее экосистеме очередную революцию.

История Кракатау вполне соответствует общим экологическим правилам, которым жизнь следует везде, где появляются новые места обитания. Вулканические извержения опустошают острова. Оползни очищают от жизни горные склоны. Ледники тают, изменяя при этом береговую линию.

И рождаются дети. Для бактерий новорожденный ребенок — это настоящий Кракатау, ждущий своих колонизаторов. В момент рождения его тело почти полностью свободно от микроорганизмов, но в первые же несколько дней его заселяют E. coli и другие виды бактерий. Они образуют новую экосистему, которая будет жить и взрослеть вместе с ребенком, сопровождая человека на протяжении всей его жизни. Она также развивается во времени согласно собственным экологическим принципам.

Вообще, жизнь E. coli намного сложнее, чем то, что мы видим в чашке Петри. Беззаботное существование в лаборатории не предъявляет к бактерии почти никаких требований. По результатам исследований из 4288 генов, которые ученым удалось идентифицировать у E. coli К-12, лишь 303 действительно необходимы бактерии для жизни в лаборатории. Это не означает, однако, что остальные 3985 генов совершенно бесполезны. Все они помогают E. coli отстоять свои позиции в густонаселенной экосистеме человеческого кишечника, где за пищу конкурируют тысячи видов бактерий.

Исследователь, изучающий кишечную палочку в пробирке, может попросту не заметить некоторые главнейшие стратегии, при помощи которых этот микроорганизм выживает в реальном мире. Хотя E. coli изучают уже больше ста лет, только в последние годы ученые начали понимать, насколько это общественное существо. Чтобы выжить, E. coli нередко приходится работать коллективно. Бактерии общаются между собой и сотрудничают. Миллиарды их объединяют усилия на строительстве огромных микробных городов и вместе сражаются с врагами.

В реальном мире не существует одного универсального способа быть кишечной палочкой. E. coli К-12 — всего лишь один из множества штаммов, которые живут внутри теплокровных животных, и стратегий выживания у них множество. Одни всего лишь пасутся в кишечнике и совершенно безобидны. Другие защищают нас от инфекций. Третьи убивают в год не по одному миллиону человек. Знакомиться с E. coli через один только штамм К-12 — все равно что знакомиться с семейством Canidae (собачьи) исключительно на примере шпица, мирно дремлющего на шелковой подушечке. Вне поля зрения при этом окажутся и динго, и большеухая лисица, и рыжий волк, и чепрачный шакал.

В поисках дома

E. coli по природе своей первопроходец. Задолго до того, как большинство других бактерий устроилось в человеке — хозяине, E. coli уже основала там жизнеспособную колонию. E. coli способна инфицировать младенца уже в процессе родов, воспользовавшись пальцами врача, или перебраться на младенца с матери во время кормления. На волнах перистальтики она добирается до желудка, где ей приходится выдержать кислотную ванну. Ионы водорода (протоны) из соляной кислоты желудочного сока просачиваются внутрь бактерии, но E. coli встраивает в мембрану дополнительные насосы, которые успешно выбрасывают большую часть пришельцев наружу. Следует отметить, что в желудке E. coli не пытается вести себя как нормальная бактерия; вместо этого она входит в физиологическое состояние, которое один ученый определил как «состояние дзен». Бактерия полностью прекращает производство каких бы то ни было белков, за исключением тех, что нужны ей для защиты от кислоты.

После двух часов в состоянии этого кислотного дзена E. coli выводится из желудка и попадает в кишечник. Ее насосы при этом продолжают выводить наружу лишние протоны, пока внутренняя часть микроба вновь не обретет нормальный отрицательный заряд. Биологические аккумуляторы снова становятся работоспособными, и теперь бактерия может начать производство новых белков и исправить старые. Она возвращается к обычным повседневным делам — по существу, к жизни. Однако до нового дома бактерии еще далеко. Сначала кишечная палочка должна пройти по тонкому кишечнику и выйти в толстую кишку. Конечно, длина маршрута здесь составляет всего лишь около 10 м, но она примерно в 7 млн раз превосходит длину путешественника — E. coli. Если человек нырнет в волны в Лос — Анджелесе и проплывет 7 млн длин собственного тела, позади его останется весь Тихий океан.

Пока бактерия дрейфует по человеческому кишечнику, ее нитевидные выросты — фимбрии цепляются за стенки. Слабого движения пищи оказывается достаточно, чтобы отцепить фимбрии, и бактерия продолжает потихоньку продвигаться вперед. Но, если поток обретает силу, фимбрии начинают упрямо цепляться за стенку. Случайно или нет, но кишечная палочка останавливается точно в том месте толстой кишки, которое ей лучше всего подходит, — там, где поток пищи движется на полной скорости. Под действием тепла E. coli запускает производство белков, которые можно использовать для захвата железа, расщепления сахаров и синтеза других белков из аминокислот. Она начинает питаться и прекрасно себя чувствует, по крайней мере первые несколько дней.

Питаясь и размножаясь, бактерия готовит почву для собственного краха. Истратив значительную часть присутствующего в кишечнике кислорода и выделяя углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности, она изменяет химический состав окружающей среды. Фактически она создает новую среду обитания, пригодную для других видов микроорганизмов, которые постепенно проникают туда и занимают доминирующее положение. Экосистема, в создании которой участвует E. coli, великолепна. Ее население может достигать ста триллионов особей, что в десять раз превосходит по числу клеток наше собственное тело. По оценкам ученых, в кишечнике одного человека может сосуществовать до тысячи видов микроорганизмов; это означает, что если составить полный список всех генов, которые можно обнаружить в организме человека, то большинство их окажется нечеловеческими.

По мере того как численность других видов микроорганизмов увеличивается, E. coli отступает; в конечном итоге ее доля в бактериальном населении кишечника снижается примерно до одной десятой процента. E. coli становится законной добычей вирусов и хищных простейших, а за пищу ей приходится конкурировать с бактериями других видов. По мере того как человек — носитель взрослеет и переходит с молока на другую пищу, его кишечник наполняется крахмалами и другими сложными сахарами, которые E. coli просто не умеет расщеплять. Представьте, что вы приходите в ресторан и усаживаетесь за столик в ожидании вкусного обеда, а официант неожиданно заменяет ваш шоколадный мусс на миску сена. E. coli теперь приходится ждать, пока бактерии других видов расщепят молекулы сложных сахаров, и питаться отходами их жизнедеятельности.

Не исключено, что, питаясь отходами, E. coli оказывает ответную услугу тем, кто ее этими отходами обеспечивает. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что утилизация простых сахаров, которой занимается кишечная палочка, позволяет другим микробам быстрее расщеплять молекулы сложных сахаров. Кроме того, E. coli продолжает улавливать кислород — то небольшое его количество, которое время от времени накапливается в кишечнике. Удерживая содержание кислорода на стабильно низком уровне, E. coli обеспечивает большинству представителей нормальной микрофлоры комфортные условия. Именно эту экологическую нишу колонии E. coli занимают в организме хозяина в течение всей его дальнейшей жизни. В любой момент в кишечнике человека можно обнаружить до 30 штаммов этой бактерии. Люди, полностью свободные от E. coli, встречаются очень редко.

В этом, кстати говоря, мы тоже похожи на E. coli: человек, как и кишечная палочка, зависит от внутренних бактериальных джунглей. Нам необходимы бактерии, которые производят ферменты для расщепления многих углеводов, входящих в состав нашей пищи. Кроме того, наши жильцы — бактерии синтезируют некоторые необходимые нам витамины и аминокислоты и помогают контролировать количество поступающих из пищи калорий. Изменение бактериальной флоры кишечника может привести к изменению массы тела. Но этого мало. Обитатели кишечника охраняют человека от болезней, поэтому врачи дают недоношенным детям специальные штаммы E. coli. Бактерии защищают кишечник: выпускают в него химические вещества, отпугивающие патогенные микроорганизмы, а также создают в кишечнике устойчивую экосистему, в которую патогены просто не в состоянии внедриться.

На самом деле трудно сказать, где заканчивается работа кишечной микрофлоры и начинается наша собственная иммунная система. Ясно одно: бактерии помогают иммунной системе человека поддерживать тонкое равновесие, когда нужно убивать патогенные микроорганизмы, а ткани собственного организма трогать нельзя. Исследования показывают, что некоторые штаммы E. coli способны остудить боевую ярость иммунных клеток. Судя по всему, достаточная доза E. coli помогает справиться не только с патогенными микроорганизмами, но и с аутоиммунными заболеваниями, такими как колит. Некоторые ученые утверждают, что наша иммунная система в ответ стимулирует бактерии к размножению и формированию толстых защитных скоплений на внутренних стенках кишечника. Эти скопления не только препятствуют внешним агрессорам, но и не позволяют отдельным бактериям проникать в слизистую оболочку кишечника. С точки зрения здравого смысла все это биохимическое рвение вполне объяснимо: в конце концов, мы и E. coli — члены одного и того же коллектива.

Совместная жизнь

В 2003 г. Джеффри Сток и его коллеги по Принстонскому университету поместили E. coli в лабиринт. В прямоугольном лабиринте со стороной меньше четверти миллиметра были пластиковые стены и стеклянная крыша. Ученые погрузили лабиринт в воду, а затем впрыснули во входное отверстие E. coli. Бактерии принялись вращать жгутиками и плавать. Предварительно команда Стока добавила каждой особи ген, отвечающий за светящийся белок, так что ученые имели возможность отслеживать скитания микроорганизмов по лабиринту.

Поначалу бактерии, судя по всему, плавали случайным образом. Постепенно, однако, они собрались группами и начали плавать стайками. Одни стайки заплывали в тупик и оставались там; судя по всему, их эта ситуация устраивала. Другие бактерии плыли следом, и через два часа тупик целиком наполнился массой светящихся бактерий.

Чтобы определить, как бактерии находят друг друга, принстонские ученые запустили в лабиринт мутантов. Выяснилось, что E. coli способна собираться стаями до тех пор, пока действует ее бактериальный «язычок». Похоже, что ориентируется она по вкусу одной из аминокислот — серина. Дело в том, что при нормальном ходе обмена веществ E. coli вместе с другими отходами выбрасывает и серин. Ученые с 1960–х гг. знали о любви E. coli к серину, но списывали ее на поиск пищи. Теперь же объединение E. coli в группу в лабиринте подсказывает нам другую возможность. Что если «язычок» E. coli настроен на поиск других представителей ее собственного вида?

Не так давно E. coli и другие бактерии считались индивидуалистами. В конце концов, думали ученые, у кишечной палочки нет того, что лучше любого клея скрепляет сообщества, — средства общения. E. coli не способна написать соседке е — мейл, огласить на рассвете пустыню громким пением или распустить перед самочкой хвостовые перья. Оказалось, однако, что у E. coli тоже есть своего рода язык; мало того, у нее есть и своего рода общество.

Общественная жизнь E. coli долгие десятилетия оставалась за кадром, потому что биологов в основном интересовали более фундаментальные сведения о жизни E. coli: как она питается, растет и размножается. Методика, при помощи которой можно заставить E. coli делать и то, и другое, и третье как можно быстрее, была отработана и доведена до совершенства. Комфортная жизнь в тепле, при достаточном количестве кислорода и избытке пищи стимулирует отдельных бактерий к быстрому размножению. Такая жизнь, однако, мало чем напоминает нормальный образ жизни E. coli. Хотя человек съедает за свою жизнь около 60 т пищи, E. coli нередко приходится голодать по нескольку часов, а то и суток. Когда же появляется шанс поесть, нередко случается, что из еды вокруг только молекулы какого?нибудь низкоэнергетического сахара, которые и расщеплять?то почти бесполезно — энергии при этом извлекается ненамного больше, чем тратится. Вдобавок приходится конкурировать за каждую молекулу с другими микробами. Одновременно с этим E. coli должна противостоять атакам вирусов и хищников, а также новым, исходящим от человека опасностям, таким как антибиотики. Хозяин может заболеть, и тогда вся среда обитания бактерии подвергается разрушению. Один из лучших способов противостоять всевозможным катастрофам — объединить силы с другими E. coli

Биопленка E. coli

Собравшись вместе, бактерии могут сделать многое. Так, в некоторых условиях группа E. coli образует жгутики нового типа, гораздо более длинные, чем обычные. Новые жгутики соединяются между собой, связывая миллионы бактерий в единую бурлящую массу. Вместо того чтобы плыть куда?то, они толпятся на поверхности и выпускают наружу молекулы, которые покрывают воду и создают на ее поверхности слизистую пленку. Такое роение на поверхности позволяет скоплению E. coli скользить по чашке Петри или, как подозревают ученые, по стенке кишечника.

В других случаях E. coli предпочитает осесть на месте и строит себе бактериальный город. О том, что бактерии способны образовывать мутный налет на стенках сосудов — так называемую биопленку, было известно давно. Поначалу биопленки просто раздражали ученых, не давая рассмотреть отдельно плавающие бактерии, ради исследования которых, собственно, и ставились эксперименты. Но более подробное исследование показало, что биопленка имеет весьма сложную структуру. Все бактерии способны формировать биопленки, и ученые полагают, что подавляющее большинство бактерий значительную часть жизни проводит именно в них. Биопленки образуют слизистый налет на стенке нашего кишечника, на речном и океанском дне и даже на дне пропитанных кислотами шахт по добыче руды.

Конечно, биопленок вокруг сколько угодно, но изучать их непросто. Для этого ученым пришлось отставить в сторону любимые колбы и чашки Петри и придумать совершенно новые методики экспериментов. Например, сделали специальные камеры с теплой проточной водой, имитирующие условия человеческого кишечника. При определенных условиях E. coli готова осесть где?нибудь внутри камеры и начать сооружение биопленки. Дрейфуя по экспериментальной камере, часть бактерий оседает на дне. В обычных условиях они быстро отцепляются и плывут дальше, но иногда остаются на месте и устраиваются там жить. Некоторые эксперименты позволяют предположить, что решение об этом E. coli принимает в том случае, если поблизости обнаруживаются другие особи. E. coli чувствуют своих собратьев по испускаемым ими химическим сигналам, причем используют для этого не только серин и другие отходы, но и особые молекулы, которые выполняют именно сигнальную функцию и могут при случае изменить поведение других E. coli.

Когда группа E. coli приступает к формированию биопленки, бактерии начинают с того, что образуют выросты — фимбрии, которые связывают их между собой и стягивают в единый плотный кластер. К первопоселенцам присоединяются другие, ранее свободно плавающие бактерии, и кластер постепенно растет. Бактерии начинают выделять внеклеточные полимерные вещества, заключая себя в так называемый матрикс. Сформировавшаяся биопленка вовсе не плоская. Она больше похожа на город с высокими башнями, широкими площадями и целой паутиной спутанных улиц. В процессе его строительства каждая бактерия должна включать и выключать сотни генов по сложной согласованной схеме. В некоторых отношениях биопленка E. coli напоминает человеческое тело. Конечно, биопленка не имеет обыкновения вставать на ноги и бродить по улицам, но, подобно человеческим клеткам, клетки биопленки тоже образуют клеточные коллективы, члены которых выполняют разные функции и вместе работают ради общего выживания.

Ученые до сих пор не разобрались, для чего, собственно, E. coli сооружает биопленки, прикладывая значительные усилия. Чтобы участвовать в общем деле, отдельной бактерии приходится многим жертвовать и тратить огромную часть драгоценной энергии на производство внеклеточного полимерного вещества, которое соединяет его с другими микроорганизмами. Бактериям, оказавшимся глубоко в толще биопленки, намного труднее добывать пищу, чем свободно плавающим особям. Не исключено, однако, что преимущества биопленки перевешивают все ее недостатки. Так, биопленка может обеспечивать своих обитателей защитой. Она выдерживает резкие изменения окружающей среды. Вирусам, вероятно, сложнее проникнуть в биопленку, чем инфицировать отдельно живущую клетку. Антибиотики действуют на биопленки в тысячи раз слабее, чем на отдельные бактерии.

Возможно, биопленка позволяет бактериям объединить усилия в добывании пищи. Не исключено, что питательные вещества, попадая в плотную слизь биопленки, направляются затем по внутренним каналам к бактериям, лишенным выхода на поверхность. Кроме того, бактерии в биопленке могут сотрудничать через разделение труда. Микробы, живущие на поверхности, получают больше пищи и кислорода, чем обитатели внутренней части. При этом, однако, на них действует большее количество стрессовых факторов. E. coli, обосновавшиеся в основании биопленки, могут погружаться в состояние анабиоза, образуя что?то вроде бактериального семенного фонда. Время от времени часть бактерий может отделиться от биопленки и уплыть прочь; какое?то время они ведут свободную жизнь, а потом вновь обосновываются на стенке кишечника и строят новую биопленку.

Человек — самый общественный из всех биологических видов — прибегает к сотрудничеству не только при строительстве городов и ради помощи другим людям. Война с соседями тоже требует от народа серьезных согласованных усилий. В этом опять же жизнь E. coli отражает нашу социальную жизнь. Мы строим боевые ракеты и бомбы. E. coli производит химическое оружие. Химические соединения под названием колицины смертоносны для микроорганизмов. Одни из них протыкают мембрану бактерии, как копьем, и выпускают наружу ее внутренности. Другие блокируют производство новых белков. Третьи разрушают ДНК.

Чтобы инициировать колициновую атаку, некоторые бактерии E. coli должны пожертвовать самым главным. Небольшая часть бактерий популяции за несколько секунд синтезирует и накапливает внутри себя сотни тысяч молекул колицина, превращаясь таким образом в настоящие склады оружия. У этих бактерий нет каналов, через которые они могли бы аккуратно выпустить подготовленные колицины наружу. Вместо этого они начинают производить особые самоубийственные ферменты, которые просто взрезают изнутри мембрану бактерии, вызывая взрыв. Колицины выплескиваются наружу, сталкиваясь с соседними бактериями. Однако близким родичам производителя колицины не страшны, потому что у них имеются гены, с помощью которых можно изготовить противоядие. Жертвуя собой, E. coli уничтожают конкурентов и расчищают пространство для жизни и успешного размножения своих клонов. Судя по всему, общественная жизнь E. coli простирается за пределы жизни как таковой.

Прощай, хозяин

Если какой?то штамм E. coli обосновался в кишечнике человека, он может обитать там десятилетиями. Однако бактерии могут и покидать своих хозяев путем настолько очевидным, что говорить о нем подробно нет никакой необходимости. Достаточно сказать, что каждый день человечество всего мира выпускает в окружающую среду более миллиарда триллионов особей E. coli. Кроме того, бессчетное количество этих бактерий выпускают на волю другие млекопитающие и птицы. Микроорганизмы уносятся прочь по трубам канализации и руслам ручьев и рек, высеваются на поверхность земли и морей. Им предстоит противостоять зимней и летней погоде, засухам и наводнениям, влачить голодное существование без привычной роскошной диеты из полупереваренного сахара. Возможно, долгое время им придется выживать вообще без пищи. В почве и воде множество хищников, которые только и ждут возможности съесть E. coli: среди них и черви — нематоды, и медленно перетекающие с места на место амебы. Некоторые хищники берут размером и массой. Другие, такие как бактерия Bdellovibrio, проникают в периплазму E. coli и разрушают бактерию изнутри. Еще один вид бактерий — Myxococcus xanthus — вырабатывает химическое вещество, которое Е. coli воспринимает как аромат пищи. Почуяв его, бактерия- неудачник сама плывет навстречу гибели.

Вероятно, для большинства E. coli покинуть хозяина — значит найти быстрый путь к смерти. Но жизнь способна играть даже с очень слабыми шансами на победу. Дуб буквально усеивает землю под собой желудями, из которых редко кому удается выжить и прорасти. Человеческое тело состоит из триллионов клеток, из которых лишь несколько переживет смерть организма и даст начало потомкам. Если хотя бы крохотная часть E. coli в дикой природе выживет и сумеет отыскать себе нового хозяина, ее жизненный цикл продолжится. К тому же у E. coli есть несколько уловок, способных серьезно повысить шансы на выживание. Ее обмен веществ настолько гибок, что она способна извлекать углерод из самых разных источников, даже из тротила. Если ее пытается съесть какой?нибудь хищник, обитающий в почве, бактерия может избежать переваривания и вместо этого благоденствовать, превратившись в паразита. При чрезвычайно неблагоприятных обстоятельствах E. coli может сложить свою ДНК в очень компактную структуру, перейти в стационарную фазу и существовать в таком виде многие годы.

Иногда E. coli удается полностью отказаться от хозяина. Время от времени ученые обнаруживают в разных местах планеты популяции E. coli, процветающие в роли полноценных природных микроорганизмов. В Австралии, к примеру, исследователи обнаружили цветущие популяции E. coli в озерах, где никто не ожидал встретить ничего подобного. В эти озера не поступает фекальных масс, туда не сливают ни канализацию, ни отходы с ферм. Тем не менее в любой теплый день эти озера насыщены миллионами миллиардов E. coli. Эти бактерии несколько отличаются от более знакомых и привычных штаммов E. coli. В частности, они образуют необычайно прочную капсулу которая играет для микроба роль гидрокостюма и позволяет ему круглый год жить в озере. Этим бактериям, чтобы выжить, уже не нужен хозяин. Они освободились.

День на ярмарке

В центральной части штата Коннектикут, где я живу, сельскохозяйственные ярмарки — дело чрезвычайно серьезное. Каждое лето небольшие городки штата — Гошен, Дарем, Хаддам Нек — один за другим строят на большой площади торговые палатки и воздвигают чертово колесо. Дребезжа на неровных местных дорогах, подъезжают трейлеры с быками, готовыми таскать за собой бетонные блоки. Мэры и члены городского управления собираются, чтобы посоревноваться в искусстве доения коров. Эти ярмарки намного пережили расцвет породивших их сельскохозяйственных сообществ. Тем не менее тысячи людей приходят туда, чтобы увидеть гордо вышагивающих петухов, призовых коз и пироги — настоящие произведения искусства.

Каждое лето я с женой и двумя дочерьми бываю на нескольких таких ярмарках и каждый раз, оказавшись там, теряю всякое ощущение времени. Я чувствую себя так, будто вернулся в прошлое, в то время, когда практически любой десятилетний ребенок знал, как стригут овец. Но в тот момент, когда я, находясь в загоне со скотом, почти совсем уже теряю связь с настоящим, я вдруг замечаю у входа в загон деревянный столб с умывальником и мыльницей. Вид этого столба мгновенно возвращает меня в XXI век, и, когда мы покидаем загон, я забочусь о том, чтобы девочки тщательно вымыли руки с мылом.

Подобные загоны — родной дом для некоторых особенно злобных бактерий. Они обитают в организме животных, завоевывающих на ярмарках ленты и призы, падают с пометом в соломенную подстилку, уплывают по воздуху на пылинках, удобно устраиваются на щетинках мух. Они наполняют загоны, прилипают к полу и ограде, шерсти и перьям. Чтобы серьезно заболеть, достаточно крохотной дозы — скажем, попадания в рот десятка — другого особей. У человека начинается кишечное кровотечение, отказывают почки. Антибиотики только ухудшают положение, и все, что могут сделать врачи, — это организовать внутривенное введение пациенту физиологического раствора и надеяться на лучшее. Большинство людей со временем поправляется, но некоторые продолжают болеть всю оставшуюся жизнь, а порой и умирают.

Проверяя бактерии, ставшие причиной гибели человека, патологоанатомы обнаруживают старого знакомого — E. coli.

E. coli представлена многочисленными штаммами. Одинаковые по своим основным видовым биологическим особенностям, эти штаммы разительно отличаются друг от друга по образу жизни. В большинстве своем штаммы E. coli безвредны, но в природе, за стенами лабораторий, E. coli иногда становится патогенной и может не только вызвать недуг, но и убить. Чтобы как следует познакомиться с E. coli и понять, что для нее означает жизнь, недостаточно изучить один какой?нибудь «прирученный» штамм вроде К-12. Смертельно опасные штаммы — точно такие же представители этого биологического вида.

Несколько десятилетий после открытия этой бактерии Теодором Эшерихом ученые не осознавали, насколько опасной может быть E. coli. Первое достоверное свидетельство того, что не все штаммы E. coli ведут себя как пассивные наблюдатели, было получено в 1945 г. Британский патологоанатом Джон Брей тогда занимался поисками причины так называемой «летней диареи» — смертельно опасной детской инфекции, эпидемия которой ежегодно прокатывалась по Британии и другим промышленным странам. Брей охотился за бактерией, которая присутствовала бы у всех больных детей, но отсутствовала у здоровых.

Лучший метод, которым располагал в то время Брей, состоял в получении антител к разным патогенным микроорганизмам. Антитела производятся клетками нашей иммунной системы при встрече с чужеродным белком. Впоследствии антитела атакуют возбудителя заболевания, распознав эти белки. Благодаря тому, что антитела обладают высокой специфичностью к своим мишеням, они будут игнорировать все другие белки, с которыми сталкиваются. Вводя соответствующие бактерии кроликам, Брей создавал антитела к некоторым известным болезнетворным микроорганизмам, таким как сальмонелла. Когда иммунная система кролика отражала атаку, Брей выделял из крови животных антитела. Затем он добавлял эти антитела к образцам, полученным из выделений больных детей. Он хотел посмотреть, не обнаружат ли они каких?нибудь болезнетворных микроорганизмов. Но антитела не узнавали противника.

Пока Брей размышлял о том, антитела к каким микроорганизмам опробовать следующими, один педиатр в разговоре с ним случайно упомянул, что от многих детей, страдающих летней диареей, исходит странный запах, напоминающий запах спермы. Брей знал, что некоторые штаммы E. coli испускают примерно такой запах. Поэтому он получил антитела к E. coli и добавил их в свои культуры. Антитела немедленно нашли свои мишени. Брей обнаружил, что среди больных детей тест на эти антитела был положительным у 95 %, а среди здоровых — лишь у 4 %.

Тогда Брею удалось распознать лишь один болезнетворный штамм E. coli, но позже ученые выделили их немало. Некоторые из этих штаммов были давно известны медикам, но под другими названиями. Так, в 1898 г. японский бактериолог Киёси Сига (Шига) выяснил причину одной из форм кровавого поноса — бактериальной дизентерии. Ею оказалась бактерия, палочкообразное строение которой вполне соответствовало строению E. coli, но Сига назвал ее иначе. В конце концов, палочковидных бактерий много. А микроорганизм, обнаруженный японцем, выделял убивавший клетки токсин; никто никогда не видел, чтобы E. coli выделяла что?нибудь подобное. Кроме того, было известно, что E. coli способна расщеплять молочный сахар — лактозу. Бактерия Сиги этого не умела. Эти и другие отличия позволили Сиге объявить свой микроорганизм отдельным видом, который позже ученые назвали в его честь — Shigella (шигелла). И только в 1990–е гг., когда ученые получили возможность прочесть геном шигеллы целиком, буква за буквой, стало наконец ясно, что это всего лишь штамм — и даже несколько штаммов — E. coli.

Шли годы. Ученые находили все новые штаммы E. coli, способные вызвать широкий спектр различных заболеваний. Обнаружились штаммы, поражающие толстый кишечник, и штаммы, поражающие тонкий кишечник. Одни из них жили в кишечнике, не причиняя хозяину никаких неудобств, но, попадая в мочевой пузырь, могли вызвать тяжелую инфекцию, которая иногда распространялась и на почки. Другие штаммы приводили к заражению крови с летальным исходом, третьи проникали в мозг и вызывали менингит. Масштаб ущерба от них трудно оценить. Одна только шигелла каждый год поражает 165 млн человек, убивая из них 1,1 млн. Умирают в основном дети. Можно только гадать, что подумал бы Теодор Эшерих, если бы вдруг узнал, что его юных пациентов убивает не какая?то таинственная бактерия, а его безобидная Bacterium coli communis.

Смертельно опасны многие штаммы E. coli, но одному из них в последние годы было посвящено больше новостных заголовков, чем всем остальным вместе взятым. Этот штамм именуют 0157: Н7 (обозначение относится к молекулам на поверхности бактериальной клетки). E. coli 0157: Н7 — тот самый штамм, который делает зоопарки, где можно гладить животных, зоной повышенной опасности, который может превратить шпинат или гамбургер в отраву и вызвать отказ какого?то органа со смертельным исходом. Несмотря на развернувшуюся вокруг него шумиху, штамм этот сравнительно плохо известен науке и нов для нее.

В феврале и марте 1982 г. у 25 человек в Медфорде (штат Орегон) появились судороги и кровавый понос. Врачи обнаружили у некоторых пациентов совершенно неизвестный штамм E. coli. Три месяца спустя тот же штамм вызвал новую вспышку заболевания — на этот раз в Траверс — Сити (штат Мичиган). Источником инфекции оказались не прошедшие достаточную тепловую обработку гамбургеры, которые все жертвы ели в McDonalds. Выявилась закономерность, и теперь ученые начали искать E. coli 0157: Н7 в бактериальных образцах, взятых у пациентов в прошлые годы. Из 3000 штаммов E. coli, обнаруженных у американских пациентов за несколько предыдущих лет, один действительно оказался 0157: Н7. Он был взят у женщины в Калифорнии в 1975 г. Поиски в Великобритании и Канаде выявили еще семь случаев, но все они были зарегистрированы после 1975 г.

После этого штамм 0157: Н7 опять был забыт и канул в безвестность еще на десять лет. Он вновь проявил себя в середине 1990–х гг. целой серией вспышек, прокатившихся по миру. От одной вспышки в штате Вашингтон в 1993 г., причиной которой опять стали недостаточно тщательно приготовленные гамбургеры, пострадали 732 человека. Четверо из них умерли. Ученые выяснили, что 0157: Н7 может жить в кишечнике коров, овец и других сельскохозяйственных животных, не причиняя им никакого вреда. По оценкам ученых, около 28 % коров в США являются носителями штамма 0157: Н7. Причиной попадания бактерии из организма животного в организм человека может стать неправильный убой. Если при убое будет нарушена целостность прямой кишки коровы, бактерия может попасть в мясо. При современных технологиях производства мясо множества коров нередко смешивается, и E. coli 0157: Н7 от одного животного может распространиться на несколько тонн говядины или говяжьего фарша. Большая часть этих бактерий гибнет при кулинарной обработке, но в одной — единственной крошке сырого мяса может уцелеть достаточно E. coli 0157: Н7, чтобы вызвать опасную вспышку инфекции.

Вегетарианцы тоже не застрахованы от такой инфекции. Коровы выделяют E. coli 0157: Н7 с пометом, а в почве эта бактерия способна жить месяцами. На фермах он может распространиться с помета на растения и попасть в урожай; вероятно, его переносят слизни и дождевые черви, а также вода при поливе. В 1997 г. из?за редьки, зараженной E. coli 0157: Н7, в Японии заболели 12 000 человек, трое из них умерли. Сегодня бизнес по выращиванию овощей почти столь же механизирован и обезличен, как мясной бизнес, и на всей территории США овощную продукцию в магазины поставляют лишь несколько крупных компаний. Такой порядок вещей расширяет радиус действия E. coli 0157: Н7 и увеличивает губительные возможности этой бактерии. В сентябре 2006 г. зараженный шпинат с одной — единственной фермы поразил людей в самых разных местах; всего заболело 205 человек в 26 штатах. Три месяца спустя из?за салата, поставленного в рестораны сети Тасо Bell в пяти штатах, заболел 71 человек.

Попадая в рот будущей жертвы, E. coli 0157: Н7 вроде бы ничем особенно не отличается от других, безвредных штаммов E. coli. Бактерии начинают показывать характер только после того, как совершат путешествие через желудок и доберутся до толстого кишечника. Оказывается, представители E. coli 0157: Н7 обладают необычайной способностью прислушиваться к своему хозяину. Клетки человеческого кишечника вырабатывают гормоны, а у бактерии имеются рецепторы, способные эти гормоны улавливать. Эти гормоны сообщают E. coli, что пора готовиться к тому, чтобы вызывать у хозяина болезнь. Получив сигнал, бактерии отращивают жгутики и начинают плавать, проверяя все встречные молекулы в поисках сигналов, выпущенных их товарками, такими же бактериями E. coli 0157: Н7. Следуя сигналам, они собираются вместе, а образовав достаточно крупную армию, начинают вооружаться.

Самое мощное оружие E. coli 0157: Н7 — «шприц», которым бактерия протыкает клетку кишечника и вводит в нее настоящий коктейль из разных молекул. Эти молекулы по сути перепрограммируют клетку. Плотно прикрепившись к ней, бактерия активирует преобразование цитоскелета клетки. Его волокна, придающие клетке форму, начинают перемещаться относительно друг друга. На верхушке клетки формируется «пьедестал» — впадина, похожая на чашу, — удобное убежище для E. coli 0157: Н7. Клетка теряет цельность и начинает протекать, а бактерия питается проплывающими мимо обломками. В тот момент, когда у больного вместе с поносом начинается кровотечение, бактерия, пользуясь моментом, захватывает атомы железа из крови с помощью сидерофоров.

Приблизительно через трое суток после попадания в организм E. coli 0157: Н7 у человека начинает ухудшаться самочувствие. Развивается сильный понос, который переходит в кровавый. Появляются резкие и очень болезненные судороги. Большинство людей, пораженных E. coli 0157: Н7, через несколько дней поправляется. Но одного- двух из каждых 20 заболевших впереди ждет нечто значительно худшее.

В организме этих людей E. coli 0157: Н7 начинает вырабатывать токсин нового типа. Этот токсин проникает в клетки и нападает на рибосомы — фабрики по производству белков. Клетки погибают и распадаются. Токсин попадает из кишечника в соседние кровеносные сосуды и разносится кровью по всему организму. Он вызывает образование тромбов в сосудах и инсульты. Блокирует кровоснабжение целых органов, в первую очередь почек. Для некоторых действие этого токсина оказывается смертельным. Тем, кому повезет выжить, на полное выздоровление может потребоваться не один год. Некоторым придется всю оставшуюся жизнь регулярно подключаться к аппарату искусственной почки и делать диализ крови. У детей эта бактерия может вызывать повреждение головного мозга, и им заново приходится учиться читать.

О бактерии E. coli 0157: Н7 часто пишут и говорят, что вполне понятно — ведь этот штамм способен привести к возникновению внезапных эпидемий в промышленно развитых странах. Но если разобраться, это всего лишь один из множества опасных штаммов E. coli, которая может вызывать у человека самые разные заболевания. Шигелла, например, не скрывается в удобном убежище, как E. coli 0157: Н7. Она странствует. Добравшись до кишечника, она выделяет химическое вещество, которое ослабляет связи между клетками, образующими стенку кишечника, а затем проскальзывает в одну из образовавшихся щелей. Нарушение целостности стенки кишечника привлекает внимание находящихся поблизости иммунных клеток, которые протискиваются в щель вслед за бактерией. Шигелла, однако, не прячется и никак не маскирует свое присутствие. Напротив, она специально выпускает наружу молекулы, провоцирующие мощную атаку.

Иммунные клетки догоняют шигеллу и пожирают ее, но гибнет при этом не добыча, а охотник. Оказавшись внутри иммунной клетки, шигелла выпускает химическое вещество, которое заставляет захватившую ее клетку покончить с собой и взорваться. Гибель иммунной клетки привлекает внимание ее живых товарок, но и они не в состоянии остановить злодейку — шигеллу. Более того, они облегчают новым бактериям шигеллы путь сквозь стенку кишечника, так как тоже протискиваются сквозь нее, расширяя щели.

Отбившись от атак иммунной системы, шигелла выбирает себе удобную цель — клетку в стенке кишечника. Она сооружает себе «шприц», очень напоминающий этот же инструмент у E. coli 0157: Н7, и протыкает оболочку клетки. Молекулы, которые она впрыскивает, вместо того чтобы вызвать образование чаши на верхушке клетки, помогают сформировать проход, по которому шигелла может проскользнуть внутрь. Оказавшись внутри клетки, бактерия берет под контроль ее «скелет». Она продвигается вперед, заставив одно из волокон расти с заднего конца; другие волокна, попадающиеся ей на пути, она просто разрезает. Закончив пир в одной клетке, шигелла протискивается сквозь мембрану и начинает работу над ее соседкой. Умирающая клетка призывает к месту заражения дополнительную армию иммунных клеток, но они лишь открывают в стенке кишечника новые проходы, которыми может воспользоваться шигелла.

Как так получается, что E. coli может быть такой разной? Считается, что биологический вид состоит из особей, объединенных общими основными свойствами; нам кажется, что особи эти должны быть по существу одинаковыми. Если взглянуть на то, как ведут себя и действуют шигелла и E. coli 0157: Н7, можно подумать, что эти бактерии и безобидная E. coli К-12 принадлежат к совершенно разным видам. И все же анализ ДНК показывает, что все они, вне всякого сомнения, принадлежат к одному и тому же виду.

Если вам случится как?нибудь остановиться после посещения загона для скота, чтобы тщательно вымыть руки, оглядитесь вокруг. Посмотрите на выставочных кур, гордо распушивших курчавые перья. Обратите внимание на кроликов с неподъемными ушами и на громадных свиней, послушно топающих на привязи за хозяевами. Вспомните их диких сородичей, куда менее нелепых: кустарниковую дикую курицу, американского зайца, дикого кабана. Эти животные наглядно демонстрируют, что у жизни нет никаких неизменных сущностей. Один из важнейших законов жизни заключается в том, что жизнь меняется. Кабаны становятся свиньями, а безобидная E. coli — убийцей. По случайному совпадению E. coli также является одним из лучших инструментов для изучения эволюции жизни: наблюдая за ней, можно понять, как развивается жизнь за дни, десятилетия или миллиарды лет. С одной стороны, она своим примером подтверждает основные положения теории Дарвина, с другой — показывает, насколько эволюция загадочнее и удивительнее, чем все, что Дарвин мог вообразить.