Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым
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 Über 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».
