Микроб гениальности глазами микробиолога и психиатра. Междисциплинарное путешествие

3. «Входные ворота».

Не забудьте о важности этого компонента. Дело в том, что возбудитель может попасть в организм хозяина только через особое «слабое место», которое он в процессе эволюции обнаружил. Это место принято называть «входными воротами» инфекции. Добраться до «входных ворот» не так-то просто. Как, например, возбудителю гриппа попасть в воздухоносные пути? Необходимо использовать специальный вид «транспорта» следующий к конкретному пункту назначения. Конечно, вирус гриппа и другие возбудители капельных инфекций «выбрали» для этой цели самый удобный маршрут, способ и средство передвижения – по воздуху на мельчайших частичках влаги, слизи, мокроты и пыли.

Другие болезнетворные микробы могут попадать в организм хозяина через несколько «ворот»:

– пищеварительный тракт с пищей и/или водой;

– поврежденную кожу и/или слизистые оболочки при контакте с зараженными предметами обихода (кстати, немытые руки часто используются возбудителями инфекций, чтобы попасть в нужное место);

– слизистые оболочки при прямом контакте с больным (половые инфекции);

– слизистые оболочки и поврежденные участки кожи при контакте с кровью, или предметами, контактировавшими с ней;

– плаценту от матери плоду с кровью.

Обычно возбудитель конкретной инфекции в процессе эволюции избирает для проникновения в организм хозяина какой-то один способ. Однако есть инфекции, возбудители которых могут использовать для этого разные способы.

Кроме того, определенные условия внешней и социальной среды тоже играют важную роль, именно они должны обеспечить встречу и взаимодействие обоих участников инфекционного процесса.

Почему микробы-паразиты вызывают инфекции?

Ну вот, теперь вы знаете рецепт инфекционного заболевания. Но как болезнетворные агенты «запускают» инфекции? Зачем им вообще все это надо и почему разные инфекции вызываются разными микроорганизмами?

Все существа, обитающие на планете, преследуют одну единственную цель – закрепить существование своего вида в биосфере. Поскольку продолжительность жизни любого организма ограничена временными рамками, то становится очевидной необходимость постоянного воспроизведения себе подобных. Еще одним важным условием, обеспечивающим успешность в достижении этой цели, является возможность адаптироваться к изменяющимся условиям среды. В общем, задача сложная, если еще принять во внимание, что все это предстоит проделать в условиях жесткой конкуренции и противостояния. Каждый норовит у тебя отобрать лакомый кусочек, а то и тебя вместе с этим кусочком употребить. А тут еще условия окружающей среды без конца меняются, и от скорости реакции на эти изменения зависит судьба вида в целом.

Для болезнетворных бактерий процесс воспроизводства себе подобных – непростая задача. Это осуществимо только в живом организме, где имеются все необходимые условия, одним из которых, является высокая вероятность встречи со своими сородичами. Дело в том, что бактерии чаще всего размножаются путем деления, которое обеспечивает копирование генов материнского организма и появление клеток-клонов с одинаковым набором генов. Но этого недостаточно, поскольку для выживания необходимо еще уметь приспосабливаться к постоянно изменяющимся условиям внешней среды, т.е приобретать новые свойства. А это уже связано с приобретением новых генов и появлением новых вариантов генотипов. Высокоорганизованные существа (эукариоты) решают эту проблему с помощью процесса полового размножения. В результате, которого дочерний организм становится обладателем нового набора генов, комбинированных случайным образом. Каждый новый организм наследует по половине генов от обоих родителей, поэтому похож на них, и в тоже время отличается. Так внутри вида появляются многочисленные разнообразные варианты генотипов. Некоторые из них оказываются наиболее удачными и обеспечивают выживаемость вида в целом.

Но у бактерий нет полового размножения, тем не менее, они удивительно быстро приспосабливаются к изменяющимся условиям среды и существуют на планете уже очень давно. Как же они решили эту проблему? С одной стороны геном должен быть достаточно стабильным, чтобы обеспечить наследование жизненно необходимой информации, а с другой – достаточно лабильным, чтобы приобретать новые вариации генов, которые позволят изменяться, приспосабливаться и выживать.

Дело в том, что генетическая информация может передаваться двумя путями – вертикальным и горизонтальным. Эукариоты, к которым мы с вами относимся, передают генетическую информацию по вертикали – от родительского организма дочернему. Получив от родителей набор генов, мы уже не можем его изменить⁴. А вот бактерии делают это с легкостью. У них передача генетической информации возможна не только вертикальным путем, но и горизонтальным, то есть от одной клетки к другой (не дочерней)⁵.

Не будем утомлять читателя описанием механизмов горизонтальной передачи генетической информации, поскольку для этого потребуется не одна страница. Скажем только, что горизонтальная передача генов возможна только там, где вероятность встречи с представителями своего вида наиболее высока. Между прочим, горизонтальная передача генов может происходить между бактериями не только внутри одного вида или между родственными видами, но и видами, относящимися даже к разным семействам (т.е. очень далекими «родственниками»).

Итак, болезнетворные микроорганизмы стремятся попасть в организм хозяина, где есть возможность размножиться, получить новую комбинацию генов, «модернизироваться» и тем самым повысить шансы своего вида на выживание.

Популяция паразитов всегда тесно связана с популяцией хозяина. Для болезнетворных микробов паразитизм является необходимой и обязательной стадией в их жизненном цикле. Не будет хозяина – исчезнет паразит. Вместе они образуют своеобразную экологическую систему и неотделимы друг от друга. При этом паразиты довольно прихотливы в выборе своего хозяина.

Вы наверняка знаете о том, что есть инфекции, которыми болеют только представители определенного вида. Например, люди не болеют чумкой собак, а собаки не болеют сифилисом или дифтерией. С чем связана такая избирательность?

Все дело в «золотом ключике». Да-да, представьте себе – у каждого вида микроорганизмов на поверхности имеются особые структуры – «ключики», с помощью которых они открывают «замочек» заветной двери, за которой скрываются вожделенные для них возможности сохранения вида. «Ключики» у каждого вида возбудителей значительно отличаются по химическому строению, поэтому они открывают только соответствующие им по химической природе «замочки». Роль «замочков» выполняют сложные химические вещества, располагающиеся на поверхности клеток человека, животных или растений. Возбудители своими «ключиками» могут открыть только определенные «замочки». Поэтому разные виды животных страдают разными инфекционными заболеваниями. Хотя, есть такие микроорганизмы, которые обладают «универсальными ключами», они способны поражать и человека и животных, к счастью их немного.

Рис. 1.6. Ключевые проблемы есть и у микробов

Самым первым и важным этапом в развитии любой инфекции является прикрепление микроорганизма к клеткам тканей хозяина. Если не удастся прикрепиться, то и никакого инфекционного заболевания не разовьется. Поэтому очень важно, чтобы «ключ» точно соответствовал «замку», от этого зависит прочность прикрепления паразита на поверхности клеток хозяина.

Когда заветная дверь обнаружена и открыта, возникает следующая задача – закрепиться и устоять, а то не ровен час хозяин вознамерится попросить незваных гостей на выход. У него для этого много различных способов имеется. Например, особые белки – антитела, которые защищают «замочки», вещество – лизоцим, разрушающее оболочку бактерий, кислая среда желудочного сока и прочее. Чтобы не погибнуть, нужно уметь выживать в агрессивной среде организма хозяина. Как только болезнетворный микроб оказывается там, он «понимает», что окружающие условия резко изменились и жизненно необходимо адаптироваться к этим новым условиям, т.е. перейти в другой режим функционирования⁶. Конечно, у бактерий нет глаз, ушей, и даже зачатков нервной системы, они вообще считаются «просто» организованными. Тем не менее, они способны распознавать сигналы (электромагнитные волны светового, инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, изменение температуры, кислотность среды, концентрации определенных веществ и др.) и таким образом получать данные о своем окружении. Получение своевременной информации о состоянии окружающей среды – одно из непреложных условий выживания. Сигналы из окружающей среды передаются в бактериальную клетку и там преобразуются в другие, которые «включают» или «выключают» определенные гены. В результате бактерии начинают синтезировать вещества, способные защитить их от воздействия агрессивных факторов организма хозяина. Эти вещества (назовем их факторами болезнетворности), синтезированные бактериями-паразитами, наносят вред, повреждая ткани хозяина. А повреждение тканей приводит в конечном итоге к развитию заболевания. Некоторые возбудители вызывают повреждение тканей хозяина, проникая внутрь клеток, их относят к категории «внутриклеточные паразиты».

Но не все так просто. Размеры бактерий несоизмеримо малы по сравнению с организмом хозяина или макроорганизмом (от греч. «μάκρος» – большой). Было бы наивно полагать, что факторы болезнетворности, продуцируемые небольшим количеством бактерий способны обеспечить им выживаемость в организме хозяина. Чтобы подавить сопротивляемость макроорганизма требуются значительные количества факторов болезнетворности, а это значит, что требуется большое количество бактерий, которые смогут их продуцировать. Поэтому после закрепления на поверхности клеток хозяина бактерии начинают активно размножаться и вырабатывать так называемые факторы болезнетворности.

В развитии инфекционных заболеваний выделяют четыре периода: 1) инкубационный; 2) продромальный; 3) разгара; 4) реконвалесценции.

Время от момента проникновения микроба в организм хозяина и до развития первых признаков заболевания называется инкубационным периодом.

Микроорганизму для достижения великой цели необходимо не только закрепиться, но и размножиться на поверхности клеток/в клетках хозяина. В тех местах, где микроорганизмы находят возможность для прикрепления и проникновении (входные ворота инфекции) происходит их первичное размножение. Микробы увеличивают свою численность и адаптируются к новым условиям существования. Процесс этот очень похож на освоение новых земель переселенцами и даже называется «колонизацией». Человек еще пока ни о чем не догадывается, но механизм инфекционного заболевания уже запущен, интервенты уже высадились, осмотрелись и даже готовятся к обороне. Боевые барабаны уже отбивают зловещий ритм.

Когда количество микроорганизмов достигает определенных значений, они начинают действовать сообща. Вместе, как по команде, они приступают к продуцированию веществ, которые обеспечат им выживание в организме хозяина. А кто же отдает команды? Как микроорганизмы узнают, что их количества уже достаточно для того, чтобы усилия, предпринимаемые ими, не пропали даром?

Оказывается, бактерии постоянно общаются между собой – «разговаривают» на своем языке. Функцию «слов» выполняют особые химические сигнальные молекулы, которые постоянно вырабатываются в крошечных тельцах. Такие сигнальные молекулы – аутоиндукторы могут иметь различную химическую природу. Особенность этих молекул в том, что они очень маленькие, они легко проходят через оболочки бактерий в обоих направлениях (туда и обратно). Когда количество бактерий в популяции увеличивается, то и количество сигнальных молекул становится больше. Они проникают в бактериальные тельца, накапливаются там и когда их концентрация достигает определенных значений – «включаются» гены, кодирующие синтез необходимых в данный момент веществ. Бактерии дружно начинают синтезировать токсины и другие вещества, помогающие бактериям и вредящие хозяину. Нарушается целостность тканей и запускается процесс воспаления. В это время у человека появляется головная боль, повышается температура и появляются другие симптомы, которые можно выразить одним словом – недомогание. Это слово хорошо отражает состояние человека во втором (продромальном) периоде инфекционного заболевания. Признаки характерные для данного заболевания еще отсутствуют, но уже понятно, что человек заболел.

Поврежденные клетки нашего организма подают сигналы тревоги, сообщая защитным системам об опасности. Эти сигналы тоже имеют химическую природу, они запускают процесс воспаления, который на самом деле является защитным механизмом хозяина. В случае, если речь идет о болезнетворных бактериях, сигналов тревоги выделяется значительно больше и тогда они усугубляют повреждения, наносимые микробами. Это означает переход к следующему периоду инфекционного заболевания – разгару, характеризующемуся яркими проявлениями болезни, когда предположить (а в некоторых случаях и точно поставить) диагноз можно по одним симптомам.

В течение инфекционного заболевания иммунная система человека вырабатывает защитные факторы, которые при повторной встрече с тем же возбудителем «узнают» его по «ключикам» и обезвредят. Эти факторы делят на две группы. К первой относят антитела – особые белки, которые связывают токсины бактерий или прикрепляются к бактериальным тельцам, превращая их в яркую мишень для защитников организма (фагоцитов и комплимента). Вторую группу образуют лимфоциты-убийцы, которые умеют обнаруживать и разрушать «свои» клетки, внутри которых размножаются пришельцы. Пораженную клетку уже не спасти, а вот предупредить распространение «заразы» можно, уничтожив клетки, где она гнездится.

Когда в организме появляются антитела и лимфоциты-убийцы, они начинают активную деятельность, очищая организм хозяина от болезнетворных агентов. Этот период называют – выздоровлением (реконвалесценцией).

Микроорганизмы погибают, но свершилось главное – следующее поколение, обогащенное новой генетической информацией, уже нашло нового хозяина и там, быть может, уже запущен новый цикл.

Как видите, жизнь болезнетворного микроба очень сложна и опасна. Чему только не научишься, находясь в условиях бесконечного противостояния.

Конечно, описанные нами процессы – это только упрощенная принципиальная концепция развития инфекционных заболеваний. В реальной жизни все намного сложнее. Периоды разгара могут характеризоваться разной степенью выраженности симптомов – от ярких проявлений до их полного отсутствия (манифестные, стертые, бессимптомные). Длительность инкубационного периода часто зависит от вида возбудителя. Так, например, при дифтерии и сифилисе он составляет 7 дней, при чуме 1—2 дня, при гепатите В он может растянуться до 6 месяцев, а при бешенстве – до года. Что касается периода выздоровления, то он наступает, к сожалению не всегда. Исходы инфекционного заболевания могут быть разными: от полного выздоровления до летального исхода. Это крайние варианты, между которыми есть носительство и переход в хроническую форму.

Откуда взялись инфекции?

Что такое инфекции мы разобрались. Но откуда же они берутся? Чтобы ответить на этот вопрос придется совершить небольшой экскурс в прошлое нашей планеты. Возможно, нам удастся узнать тайну происхождения инфекционных заболеваний.

Внутри планеты что-то зловеще рокотало и ее поверхность беспрестанно содрогалась. Тут и там в небо поднимались облака раскаленных газов и пепла, во все стороны растекались реки расплавленной магмы. Со свистом и грохотом, оставляя за собой огненные хвосты, к Земле устремлялись метеориты. Некоторые огромные небесные тела, падая, оставляли чудовищные «шрамы» на ее поверхности. Плотная завеса из дыма и пыли, и беспрестанный рев окружали планету… Так на протяжении нескольких миллиардов лет формировалась Земля.

Постепенно все стихло.

И вдруг Земля обнаружила, что обзавелась земной корой, морями и океанами, и даже первичной атмосферой. Только вот дышать этой атмосферой мы бы с вами не могли, потому что состояла она тогда сплошь из ядовитых газов, таких, например, как метан, сероводород, аммиак, водород, двуокись углерода. Конечно, присутствовали там и благородные газы и пары воды, вот только свободного кислорода в ней не было и никакое живое существо не имело ни малейших шансов выжить в таких условиях.

Прошло несколько миллиардов лет, и лик Земли преобразился до неузнаваемости. Воцарилось относительное сейсмическое спокойствие. Материки и омываемые ими воды наполнились разнообразной жизнью. Изменился и газовый состав атмосферы. Теперь в нем преобладает азот (78%), на долю свободного кислорода приходится 21% и другие газы (углекислый в том числе) составляют 1%. Ученые считают, что современный газовый состав атмосферы сформировался всего-то 50 миллионов лет назад. Согласитесь, что по историческим меркам это не так давно. Но откуда в первичной атмосфере взялся кислород?

Ответ на этот вопрос хранят окаменелые образования – строматолиты. Это «постройки», созданные сообществами (колониями) древнейших жителей нашей планеты. Считают, что около 3,5 млрд лет назад именно цианобактерии или синезеленые водоросли и некоторые другие бактерий были «архитекторами» этих удивительных «строений». Строматолиты имеют различную форму и структуру, состоящую из чередующихся органических слоев (останков сообщества древних бактерий) и минеральных отложений. Такие «строения» появлялись на дне мелководных водоемов. Строматолиты обнаруживают в осадочных породах Австралии, Гренландии, в Южной Африке, Сибири, Казахстане, Киргизии, и других местах планеты.

Рис. 1.7. Фотографии строматолитов (Van Kranendonk M. J., 2011)

Древние бактерии оказались не только умелыми строителями, но и снискали себе славу изобретателей. Оказывается, именно цианобактерии были первооткрывателями кислородного фотосинтеза! Они научились преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей, выделяя при этом КИСЛОРОД.

Рис. 1.8. Протерозойские строматолиты, северная Сибирь (Бабкин А., 2014)

А ведь сначала фотосинтез был только бескислородным (кстати, многие современные бактерии и археи⁷ до сих пор с его помощью получают органические вещества). Вырабатываемый ими кислород поглощался земной корой и водой мирового океана, где происходили интенсивные процессы окисления и образование новых веществ. Излишки молекулярного кислорода выделялись в атмосферу. Процесс формирования атмосферы с современным газовым составом происходил довольно долго. Только около 1.5 млрд лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного уровня. Что обеспечило условия для появления более высокоразвитых существ, в том числе и нас с вами. Вот о чем говорили бактерии поздним вечером в лаборатории. Так что не стоит пренебрежительно относиться к этим крошечным существам. Подумать только, что могут сделать трудолюбие и время!

Итак, в атмосфере уже появился свободный кислород, но еще долго единственными жителями нашей планеты были бактерии и вирусы. Если рассматривать время от момента появления жизни и до наших дней, то две трети этого периода они были единственными представителями живого мира. Потом стали появляться более сложно устроенные одноклеточные организмы (эукариоты), а потом и многоклеточные, к которым мы с вами, дорогой читатель, относимся.

Так вот, за это время бактерии уже успели освоить все экологические ниши, и стали вездесущими и полноправными хозяевами Земли (даже сейчас это самая многочисленная группа живых существ на планете, после вирусов конечно). В настоящее время они населяют самые разнообразные, а порой даже экзотические места. Бактерии можно встретить практически везде – в полярных льдах и горячих источниках, в дистиллированной воде и в воде Мертвого моря, на дне глубочайших впадин Тихого океана, даже в земле на глубине 6—7 км и высоко в атмосфере. Некоторые из них прекрасно чувствуют себя в воде, охлаждающей ядерные реакторы и даже космосе. Микроорганизмы играют чрезвычайно важную роль в жизни планеты. Они участвуют в круговороте углерода, азота, серы; увеличивают плодородие почв, фиксируя азот из воздуха и обогащая им почву; поддерживают газовый состав атмосферы; разлагают останки животных, растений.

Существование микромира определяет жизнь макромира на Земле. Выдающийся французский ученый Луи Пастер писал по этому поводу: «Микробы – бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль».

Когда же появились многоклеточные организмы (не без прямого участия бактерий и вирусов), то для бактерий это означало появление новых экологических ниш, новых «terra incognita», которые они взялись активно осваивать…

Рис. 1.9. Незваная компания

А теперь представьте себе ситуацию: сидите вы дома, чай ароматный попиваете, читаете, быть может, книжку увлекательную или какими-нибудь другими интересными делами занимаетесь. И вдруг дверь ваша под напором трещит и ломается, а к вам вваливается некто, да не один, а с компанией, и они начинают активно поглощать ваши запасы, занимать вашу же жилую площадь и уже хищно так на вас поглядывать. Что вы будете делать в таком случае:

а) продолжите чаепитие;

б) предложите нежданным гостям торт;

в) попытаетесь избавиться от пришельцев и все восстановить.

Что-то нам подсказывает, что читатель выберет ответ (в). Так поступали и древние многоклеточные. В процессе этой бесконечной борьбы у многоклеточных появились факторы и механизмы, позволяющие им эффективно противостоять мощной интервенции. Это то, что сейчас мы называем защитными силами организма или иммунитетом. А что же бактерии? Они вынуждены были разделиться на группы в зависимости от своих возможностей. Некоторые из них не смогли приспособиться к условиям существования в живых организмах и остались свободноживущими.

Другие бактерии смогли «договориться» с многоклеточными, так возникла группа симбионтных⁸ бактерий. Правда, разные группы бактерий и здесь разделились, и «подписали» разные соглашения со своими (уже партнерами!) многоклеточными. Так, некоторые бактерии, взамен крова и пищи, которые предоставляет хозяин, тоже взяли на себя некоторые обязательства – вырабатывать полезные вещества или выполнять защитную функцию. Союз этот оказался настолько полезным, а услуги оказываемые микробами настолько важными, что закрепились в ходе естественного отбора. Бактерии, «выбравшие» вариант отношений с хозяином, построенный на взаимовыгодных условиях называют мутуалистами. Другие бактерии – комменсалы, находят для себя приемлемыми условия существования в организме более крупных существ и без причинения ущерба хозяину используют то, что ему не нужно. Мутуалисты и комменсалы сформировали особую «касту» бактерий, которая являет собой неотъемлемую часть организма многоклеточных – микробиоту. О ней мы расскажем чуть позже. Среди симбионтных бактерий выделилась еще одна группа – паразиты. Представители этой группы активно используют ресурсы макроорганизма, т.е. питаются и размножаются за его счет, при этом наносят вред – повреждают органы и ткани, тем самым вызывая заболевания.