Позднее, приблизительно 2,4 миллиарда лет назад, когда вода и земля уже успели насытиться кислородом, его переизбыток распространился по всему миру. Это был свободный, несвязанный газообразный кислород. Так возникла наша атмосфера. Для большинства живших тогда видов этот газ был исключительно токсичным, и «великая кислородная катастрофа» означала их конец. Настало время перемен и для бактерий. С тех давних пор существуют два типа бактерий: те, которым для жизнедеятельности и размножения необходим свободный кислород, – аэробы, и другие, для которых кислород является смертельным ядом, – анаэробы. 1.2. Вирусы – двигатель эволюции Клетки животных и человека чрезвычайно разнообразны. Их величина варьируется от нескольких микронов до нескольких сантиметров (например, некоторые мышечные клетки). Клетки бактерий намного меньше. Лишь один-единственный вид, открытый в Намибии в 1997 г., Thiomargarita namibiensis, виден невооруженным глазом. По величине эта «серная жемчужина Намибии» может достигать 0,5 мм. Обычные бактерии в сотни раз меньше, но зато многочисленнее. В одном миллилитре содержимого нашей толстой кишки насчитывается в сотни раз больше бактерий, чем людей на земном шаре. Еще на порядок меньше размеры вирусов. На кончике острой иглы может уместиться 500 миллионов вирусов, вызывающих насморк. Как правило, вирусы не причисляются к живым организмам, поскольку у них отсутствует функция самоорганизации и питания. Упрощенно говоря, это крошечные капсулы, содержащие капельку наследственного вещества. Некоторые вирусы имеют защитную оболочку из жиров или протеинов. Вопрос о том, как развивались вирусы и насколько давно они существуют, еще не полностью решен. Вполне возможно, что они произошли от первых молекул, способных только к размножению, то есть относятся к самым древним формам жизни. Но в большинстве учебников приводится и другая теория: что вирус – это последовательность генов, которая в процессе наследственной передачи признаков отделяется и дальше развивается самостоятельно, как паразит. В биологии такие вирусы называют «ворами-карманниками». Опасные вирусы редки Вирусы атакуют чужие клетки и проникают в них вместе со всем своим генетическим материалом, используя клетки как своего рода инкубаторы или фабрики для размножения. Некоторые из вирусов ведут эту игру так агрессивно, что атакованные клетки погибают. Вирусы вынуждают захваченные клетки производить свои копии до тех пор, пока «пленники» не выгорят и не умрут. Примером служит вирус Эбола, который атакует не только клетки организма, но и лимфоузлы и защитные клетки иммунной системы. Большинство жертв этого вируса быстро умирает. С точки зрения опасных вирусов человек является для них неудачным носителем, так как недостаточно долго живет, чтобы передать вирус другим. Как следствие, вспышки лихорадки Эбола чаще всего быстро заканчивались. Но почему в 2014 г. все было иначе, то есть заболевание длилось дольше, еще не выяснено; возможно, мы столкнулись с более «мягкой» разновидностью вируса, которая не убивала сразу. Очень немногие из вирусов используют тактику «выжженной земли», поскольку таким образом они бы разрушали собственное жизненное пространство, что могло завести их в эволюционный тупик. Дело в том, что наиболее опасные вирусы вызывают особенно сильную защитную реакцию организма-носителя. Иммунная система при таких террористических атаках тоже не миндальничает, а преследует каждого интервента беспощадно. Вот почему большинство вирусов демонстрирует куда менее радикальный стиль жизни. Например, такие серьезные создания, как вирусы некоторых форм гепатита или папилломы человека предпочитают хронические формы инфекций. Они приносят меньше острых осложнений, довольно легко переносятся, поэтому не воспринимаются иммунной системой как нечто серьезное и даже подкармливаются ею. Особенно хитро ведут себя риновирусы – возбудители насморка. Они распространяются в слизистой оболочке носа от клетки к клетке. Носоглотка реагирует и выделяет большое количество слизистого секрета. Из носа течет, вместе со слизью из него вытекают новые вирусы, чтобы найти новых носителей и заразить их насморком. Таким образом, вирусы используют иммунную систему в качестве помощника их собственному размножению. Эволюционный спарринг-партнер Вирусы и иммунная система фактически имеют общее прошлое, восходящее к древности, к началу жизни на Земле. Любая реакция вызывает ответную реакцию. Понятно, что ни одно живое существо не могло быть жизнеспособным, оставаясь «фабрикой» для вирусов, то есть влияние вирусов на любой организм с самого начала было ограничено. Для выполнения этой задачи уже первые живые существа имели примитивную систему защиты, которая под натиском вирусов, а позднее – бактерий и других воздействий постоянно развивалась и совершенствовалась. Сегодняшние высокоорганизованные механизмы иммунной системы были бы немыслимы без длительной адаптации и вирусов как спарринг-партнеров. Существуют тысячи видов вирусов, следы которых передаются нам по наследству. Они спят в нас в виде генетической информации, и никто не знает, проснутся ли они когда-нибудь. Большинство из них никогда не активизируется. Скорее всего, можно говорить о генетических реликтах, существовавших задолго до возникновения человека. При расшифровке человеческого генома подобные атавизмы рассматривались как генетический запас. Проводившиеся в недавнем прошлом исследования показали, что наследуемые вирусы могут иногда все-таки просыпаться и осуществлять полезную для организма деятельность. В наследственном аппарате овец, к примеру, найдены 27 копий ретро-вирусов, которые схожи с вирусами, вызывающими у животных тяжелые заболевания легких. В Шотландии было проведено исследование, показавшее, что некоторые из найденных спящих вирусов имеют определенную возможность активизироваться. Эти «сони» могут потрудиться именно в тех случаях, когда инфекция появляется у их диких собратьев. «Они способны блокировать репродуктивный цикл проникших вирусов сразу во многих местах», – поясняет Массимо Пальмарини, руководитель группы исследователей в университете Глазго, которая открыла этот механизм. «Очевидно, в ходе эволюции они активно отбирались таким образом, чтобы защитить овец в случае необходимости». Однако, судя по всему, это не единственная функция, возложенная на вирусы. Дальнейшие опыты показали, что овцы, у которых наследуемые вирусы были уничтожены, не могли зачать эмбрион в матке. Очевидно, гены определенных вирусов управляли контактом между организмом матери и плодом. В то же время известно, что это относится не только к овцам, а ко всем млекопитающим. Имеющий вирусное происхождение ген совершенно необходим для образования плаценты. И все-таки вирусы – живые существа? Вирусы – самые недооцененные микроорганизмы. В то время как исследование различных видов бактерий идет полным ходом, наше знание о вирусах больше напоминает черную дыру. Однако только в морях содержание вирусов в десять раз больше, чем клеточных организмов. «Каждый отдельный биологический вид имеет свои, характерные для него вирусы», – объясняет Патрик Фортерр, руководитель отдела микробиологии парижского Института Пастера. Фортерр принадлежит к меньшинству ученых, которые предпочитают считать вирусы живыми организмами. Он сомневается в достоверности утверждения, что вирусы – это «карманники» биологии, которые воруют у клеток материал, чтобы стать самостоятельными. С точки зрения биологии более вероятен обратный вариант. Свыше 20 % наследственности однозначно имеет вирусное происхождение. В ходе эволюции тот факт, что паразитирующие микроорганизмы, внедряясь в живые системы, преследуют только свои собственные цели, был бы огромным недостатком. Однако на самом деле такой симбиоз имеет явные преимущества. По крайней мере, те организмы, которые не сумели приспособиться к своим микробам, просто вымерли. Очевидно, в древнем океане, где протекал процесс эволюции жизни, царил оживленный обмен. Вместо того чтобы изобретать какие-то технологии защиты, древние организмы кооперировались с бактериями или вирусами, которые обладали определенными свойствами. Когда морские одноклеточные начали заглатывать бактерии, освоившие фотосинтез, это стало стартовым сигналом для эволюции мира растений. А способность некоторых бактерий к аккумуляции энергии давала клеткам определенные преимущества. Как показали последние исследования, именно вирусы помогали клеткам в этой интеграции. Из бывших бактерий образовались митохондрии, главной задачей которых было извлечение энергии в процессе клеточного дыхания. По сей день митохондрии являются на удивление самостоятельными, несмотря на то, что находятся внутри клеток. Они обладают собственной оболочкой, имеют свою наследственность и перемещаются независимо от цикла деления клетки. Когда умирают митохондрии – умирают и клетки. Бактерии, выполняющие определенную работу на клеточном уровне, не могли бы выжить вне организма. В качестве «вознаграждения» за свои заслуги митохондрии получают питание от клеток и являются частью их структуры. По мнению Фортерра и его исследовательской группы в Институте Пастера, вирусы стояли у истоков жизни. «Конфликт между клеточным организмом и вирусом стал главным двигателем биологической эволюции». Без участия вирусов не появилось бы человечество. Вирусы постоянно стимулировали развитие, совершенно не подозревая, к чему это приведет. Но именно это свойство – «подбросить» свою наследственность, как яйцо кукушки, в чужой организм, спровоцировать в этом организме мутации, нарушения размножения и прочие отклонения, – привело путем бесконечных проб и ошибок к развитию «высшей» жизни. При этом не только клетки мутировали под воздействием вирусов, но и сами вирусы постоянно претерпевали изменения своих генов. Однако с точки зрения эволюции значение имела не только проникающая способность вирусов, но и их структура. Из мира вирусов пришли многие новшества, которые в дальнейшем использовались клетками. Например, именно вирусы смогли так изменить наследственное вещество ДНК, что стало возможным создавать существенно более крупные и длинные биомолекулы. Известная структура ДНК в виде двойной спирали – это «изобретение» вирусов. И то, что клетки имеют сегодня ядро в качестве «мозга» и переключающего центра, стало возможным благодаря присоединению составных частей вирусов. Такие понятия, как «хорошо» и «плохо», не играли в истории развития жизни ни малейшей роли. Что было пригодным и давало преимущества – использовалось, остальное погибало. Итак, с точки зрения истории развития жизни мы, люди, – продукты мира микробов. Наша клетка состоит из прижившихся вирусов и бактерий, наш генотип без их воздействия никогда бы не приблизился к «разумной» жизни. Фортерр подчеркивает: «С эволюционной точки зрения можно с некоторым правом утверждать, что в начальный период движущей силой возникновения жизни были вирусы. Они, в определенном смысле, сыграли роль Бога». 1.3. Наш общий метагеном Мы живем в мире микробов. Они чужды нам, потому что мы не можем видеть их невооруженным глазом, но тем не менее мы нюхаем их, пробуем на вкус, принимаем в себя в немыслимом многообразии. Даже в таком крошечном организме, как водяная блоха, живет сотня видов микробов. А в человеке нашли себе прибежище тысячи видов! Под микроскопом нам открывается завораживающий мир микроорганизмов. В каждом из нас присутствует целый «зоопарк» – пестрая смесь бактерий, вирусов, червей, грибов и клещей. Большинство этих микроорганизмов колонизирует нас с момента нашего рождения, затем к ним все время присоединяются новые или уходят прежние. Когда основные места, где они могут кормиться, заняты, небольшие группы микроорганизмов (по несколько тысяч) прячутся в какие-то ниши и ждут лучших времен. Если ухудшаются обстоятельства у их «соседей» – например, микробов, живущих в кишечнике, после приема курса антибиотиков или вследствие резкого изменения характера питания, то обитатели ниш получают возможность в кратчайший срок увеличить свою популяцию до многих миллионов и распространиться на гораздо большую территорию. Знание об огромном многообразии нашего микробиома (всей совокупности микроорганизмов, обитающих внутри и снаружи человека) еще очень ново. Каких-то десять лет назад микробы не могли быть достоверно идентифицированы. Вырастить их в искусственной среде, а потом исследовать было сложно, так как основная масса бактерий мгновенно погибает вне привычной среды обитания – или вследствие непереносимости кислорода, или потому, что им требуются определенный уровень рН, определенные «соседи» или особые питательные вещества. В рамках исследования человеческого генома были разработаны новые технологии. При помощи методики генетического секвенирования (установления последовательности) теперь возможно определить все гены отдельной экосистемы и на основании ее генетической структуры распознавать бактерии. Генетическое секвенирование показало генное многообразие наших «сожителей», значительно превосходящее наш собственный, человеческий геном. Гены человека и его микробов вместе составляют так называемый метагеном. В Европе такие исследования проводит научно-исследовательский институт INRA (Национальный институт сельскохозяйственных исследований) в Париже, где группа ученых под руководством микробиолога Душко Эрлиха составила недавно подробную карту «вселенной» кишечника во всем ее необычайном многообразии, обнаружив в том числе много совершенно неизвестных видов бактерий. «В метагеноме мы нашли гены всех живых существ, которые были нами установлены в процессе исследования человеческого тела, – поясняет Эрлих, – и количество этих генов оказалось в 150 раз больше, чем имеется у самого человека». Новая методика позволяет одновременно исследовать сотни миллионов бактерий. Эрлих убежден, что подобные исследования сравнимы по значимости с раскрытием человеческого генома. «Наш второй геном – это коллектив микробов, которые живут с нами. Знание об этом способно вызвать революцию в медицине».