Эволюция. Триумф идеи - Карл Циммер

Только понимание законов эволюции даст, возможно, ученым-медикам шанс найти новые способы борьбы с болезнями. В некоторых случаях для этого необходимо выяснить эволюционную историю болезни — как паразит впервые сделал человека своим хозяином и какие меры принимал в ответ человеческий организм; тогда им, может быть, удастся найти средство от болезни. Не исключено, что в каких-то случаях ученые даже смогут обуздать силу коэволюции и усмирить возбудителей болезни.

Триумф паразитов

Везде, где есть жизнь, есть и паразиты. В каждом литре морской воды присутствует порядка 10 млрд вирусов. Существуют паразитические плоские черви, способные жить в мочевом пузыре пустынной жабы, которая 11 месяцев в году проводит, закопавшись глубоко в землю; существуют паразитические ракообразные, способные жить только в глазу гренландской акулы, которая вечно плавает в ледяной тьме Северного Ледовитого океана.

Нам, конечно, очень хочется сделать вид, что никаких паразитов нет, но на самом деле они принадлежат к самым успешным в эволюционном отношении видам. Вероятно, они существуют в той или иной форме миллиарды лет. Биологи даже предполагают, что некоторые вирусы на основе РНК — это выжившие обитатели РНК-мира, которые некогда охотились на ДНК-организмы. Судя по обилию, паразиты уже давно и счастливо правят миром. Помимо вирусов, паразитический образ жизни избрали многие семейства бактерий, простейших, грибов, водорослей, растений и животных. По некоторым оценкам, четыре пятых всех видов на Земле — паразиты.

Вообще, паразиты по отношению к хозяину в основе своей не слишком отличаются от жуков, которые пытаются пожрать листву дерева. Чтобы выжить, паразиты должны искать себе пропитание в хозяине; хозяин, само собой, пытается защититься. Такие двоякие требования порождают яростную коэволюционную борьбу. Любые адаптации, которые позволят хозяину остаться незараженным, будут непременно подхвачены естественным отбором. Гусеницы-листовертки, к примеру, выстреливают своим пометом из анальной пушки, чтобы не создавать на своем листе ароматной кучи навоза, которая могла бы привлечь ос-паразитов. Шимпанзе, обзаведясь глистами, разыскивают и поедают невкусные растения, убивающие паразитов. Некоторые хозяева, столкнувшись с непобедимым паразитом, пытаются выйти из ситуации с минимальными потерями. Так, когда самец плодовой мушки из пустыни Сонора становится жертвой кровососущих клещей, он начинает спариваться как сумасшедший, чтобы успеть перед гибелью передать потомству как можно больше своих генов.

Паразиты, в свою очередь, изобретают все новые способы обойти хозяйскую систему защиты. При попадании в организм хозяина паразит должен выдержать атаку иммунных клеток, которые опрыскивают его ядами, стремятся задушить, закупорив мембранные каналы, или просто заглатывают целиком. Чтобы выжить, чужаки-паразиты пользуются камуфляжем и всевозможными уловками. Они покрывают свое тело белками, которые в точности похожи на наши собственные белки. Некоторые из них при помощи мимикрии даже проникают в клетки через охраняемые проходы. Некоторые паразиты «знают», как можно заклинить систему связи, по которой иммунная система передает по всему телу новости об инфекции. Некоторые способны посылать собственные сигналы с приказом, по которому иммунные клетки тела совершают самоубийство. Но, пока паразиты придумывают новые способы обхода иммунной системы, хозяева тоже не сидят сложа руки, а изобретают новые способы уничтожения паразитов. Гонка продолжается.

Конец панацеи

Коэволюция между паразитами и их хозяевами — отнюдь не дело далекого туманного прошлого. Она продолжается каждый день, и мы с вами — участники одного из новейших экспериментов в этой области. Мы пытаемся искусственно усилить свою защиту антибиотиками, и в настоящий момент становится совершенно ясно, что нам грозит серьезнейшая опасность проиграть эту гонку вооружений.

Когда Селман Ваксман и его коллеги впервые открыли антибиотики, многие решили, что война против инфекционных болезней практически выиграна. Но некоторые исследователи с самого начала предупреждали, что эволюция может оказаться сильнее подобных чудес. Одним из таких ученых был сэр Александр Флеминг, британский микробиолог, открывший в 1928 г. пенициллин. Он провел эксперимент, в котором подверг бактерии действию пенициллина в низкой концентрации, а затем начал постепенно концентрацию увеличивать. В каждом новом поколении все больше бактерий могли сопротивляться действию лекарства, и вскоре чашки Петри в его лаборатории просто кишели бактериями, которым не страшны были регулярные дозы пенициллина.

Во время Второй мировой войны американские врачи тщательно охраняли свои запасы пенициллина и лишь иногда выдавали понемножку гражданским докторам для лечения безнадежно больных пациентов. Однако после войны фармацевтические компании начали свободную продажу этого препарата и даже изобрели таблетку, которую можно было принимать вместо инъекции. Флеминг опасался, что доктора будут прописывать чудо-лекарство всем без разбору и, что самое страшное, люди смогут сами покупать пенициллин и принимать его вообще без предписания врача.

Бактерии, как позже выяснили микробиологи, владеют мастерством коэволюции даже лучше, чем насекомые; они способны менять свою генетическую структуру с поразительной скоростью. Они делятся несколько раз в час, а потому способны мутировать очень быстро, пробуя невероятное количество вариантов; время от времени у них возникают новые свойства, помогающие сопротивляться антибиотикам. В результате мутаций могут появиться белки, способные разрушать лекарство; некоторые резистентные бактерии обзавелись «насосами», которые при обнаружении антибиотика тут же выдавливают из клетки его молекулы. В обычных условиях естественный отбор не поддерживает таких мутантов, но при столкновении с антибиотиками их отпрыски добиваются успеха.

В отличие от насекомых бактерии могут получать гены резистентности не только от родителей, но и от других бактерий. Вышедшие так или иначе из клетки участки кольцевой ДНК вполне способны передаваться от одного микроба к другому. Бактерии засасывают гены погибших сородичей и вставляют некоторые из них в собственную молекулу ДНК. Так резистентные к антибиотикам бактерии могут передавать гены резистентности не только своим потомкам, но и бактериям других видов.

Российская тюрьма XXI в. — идеальная лаборатория микробной эволюции. Уровень преступности после распада Советского Союза резко подскочил, и суды посылают в тюрьмы все больше и больше людей. В настоящее время в стране миллион заключенных, но тюрьмы не в состоянии принять их всех. На питание выделяется по несколько центов в день, а недокормленные люди особенно восприимчивы к инфекции. Кроме того, в небольшие камеры приходится набивать по несколько десятков человек. Туберкулезные больные, кашляя, легко заражают своих сокамерников. Микробы быстро путешествуют от одного хозяина к другому, одновременно размножаясь и мутируя.