Жизнь без бактерий и вирусов

• 16412
• 12,8
• 2
• 5

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Эволюция и происхождение вирусов

В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.

Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.

Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?

Строение вирусов и иммунный ответ организма

Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).

Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].

Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).

Причины поражений в борьбе с ВИЧ

Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.

Рисунок 5. Схема развития феномена ADE при вирусных инфекциях. а — Взаимодействие между антителом и рецептором FcR на поверхности макрофага. б — Фрагмент С3 комплемента (компонент комплемента, после присоединения которого весь этот комплекс приобретает способность прилипать к различным частицам и клеткам) и рецептор комплемента (complement receptor, CR) способствуют присоединению вируса к клетке. в — Белки комплемента С1q и С1qR способствуют присоединению вируса к клетке (в составе молекулы C1q имеется рецептор для связывания с Fc-фрагментом молекулы антитела). г — Антитела взаимодействуют с рецептор-связывающим сайтом вирусного белка и индуцируют его конформационные изменения, облегчающие слияние вируса с мембраной. д — Вирусы, получившие возможность реплицироваться в данной клетке посредством ADE, супрессируют противовирусные ответы со стороны антивирусных генов клетки. Рисунок с сайта supotnitskiy.ru.

Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.

Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.

Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].

* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.

Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.

Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.

Паразиты, бактерии и вирусы были бичом человечества на протяжении всей его истории, но также изменили ее и повлияли на нашу эволюцию. Паразиты помогли нашей иммунной системе обрести необходимый стимул и заработать, а смиренные бактерии целиком и полностью определили правила жизни на этой планете. Иногда кажется, что мы, люди, просто игрушки в их руках. Есть мнение, что пришельцы из далеких миров могут не понять, кто на этой планете настоящий хозяин. В любом случае микроорганизмы делают невероятные вещи, чтобы помочь человечеству.

Африканские вирусы помогли нам выжить

Кроме того, они, возможно, сыграли роль в том, что среди конкурирующих видов гоминид именно Homo sapiens вышли на первое место. В то время как наш вид развивался, разного рода заболевания и паразиты нападали на генетическое разнообразие и отсеивали непригодные модели. Как только первый Homo sapiens покинул континент, он привез с собой свои инфекционные колонии и паразитов.

Вирусные паразиты распространились на других гоминид типа Homo neanderthalensis (неандертальцев), у которых не было заранее выработанной системы защиты от новых заболеваний и структура носа, которая была менее эффективной при фильтрации воздуха и удерживании новых вирусов. Другие виды гоминид вымерли, поскольку не были приспособлены к выживанию в условиях, в которых могли выживать вредные микроорганизмы. Моделирование показало, что если у неандертальцев уровень смертности был хотя бы на 2% выше, чем у людей, этого было бы достаточно, чтобы они вымерли спустя 1000 лет конкуренции. Хотя заболевания, конечно, не были единственным фактором, они сыграли большую роль.

Большинство моделей эволюции человеческих заболеваний утверждают, что их основная часть развивалась в течение эпохи неолита, после того как человек перебрался из Африки и население увеличилось. Таким образом, есть некоторые доказательства этого избирательного вирусного давления. Многие из этих ранних вирусов были так успешны, что их гены буквально стали частью нашей ДНК. К примеру, человеческий геном содержит борнавирус, который стал его частью около 40 миллионов лет назад. В общей сложности ученые выделили около 100 000 элементов человеческой ДНК, которые могли быть частью вирусов, так называемая мусорная ДНК. Вирусы, которые составляют большую часть нашей мусорной ДНК, называются эндогенными ретровирусами.

Современное использование пиявок и личинок

Тем не менее в 70-80-х годах пиявки вернулись. Косметические и реконструктивные хирурги выяснили, что их можно эффективно использовать для кровопускания из опухших лиц, черных глаз, конечностей и прочего. Они также полезны при повторном присоединении небольших частей тела вроде ушей и лоскутов кожи, поскольку отсасывают кровь, которая может свернуться и прервать процесс заживления. Пиявки спасают людей от ампутации и даже могут облегчить боль при остеоартрите. Даже ветеринары иногда используют их.

Личинки, с другой стороны, являются природными очистителями. Они прекрасно подходят для разъедания мертвой или зараженной плоти, открывая здоровые ткани в процессе так называемой хирургической обработки раны. Также они оказались эффективным средством для лечения язв, гангрен, рака кожи и ожогов.

Паразиты и иммунная система совместно защищают нас от аллергии

Самая интересная часть в том, что как только паразиты и безвредные микроорганизмы, присутствующие в воде и почве, были в значительной степени удалены из своей естественной среды внутри нас в процессе развития цивилизации и медицины, наша иммунная система фактически сверхкомпенсировала эту утрату, что привело к аллергии и увеличению шансов возникновения астмы и экземы.

Первым гипотезу старых друзей предложил Грэм Рук из Университетского колледжа в Лондоне в 2003 году.

Некоторые люди доводят гипотезу старых друзей к ее логическому заключению: если удаление паразитов из общества приводит к проблемам со здоровьем, нужно вернуть их назад. В 2008 году профессор неврологии Университета Висконсина Джон Флеминг провел клиническое исследование, в ходе которого заражал некоторых пациентов с рассеянным склерозом паразитирующими червями и проверял эффективность этого метода. В течение трех месяцев у пациентов, которые в среднем имели 6,6 активных очагов среди нервных клеток мозга, уровень заболевания упал примерно в два раза. Когда испытание закончилось, количество очагов вернулось к 5,8 за два месяца.

Паразитарная терапия все еще находится в фазе эксперимента, и, скорее всего, на данный момент имеет негативные последствия, которые перевешивают позитивные. В настоящее время врачебные комиссии классифицируют червей как биологические продукты, которых нельзя продавать, пока не будет доказана их безопасность. Только один вид, Trichuris suis, был одобрен для тестирования нового препарата.

Виротерапия

Методика аналогична той, которая используется для выведения генно-модифицированных растений, только в качестве носителя гена используется вирус. Он уже давно признан в качестве наиболее эффективного средства переноса генов. Эта система используется для производства полезных белков в генной терапии и имеет большой потенциал для лечения иммунологических заболеваний, таких как гепатит и ВИЧ.

Еще в 1950-х годах стало известно, что у вирусов есть потенциал для лечения рака, но появление химиотерапии замедлило прогресс в этом направлении. Сегодня виротерапия на поверку оказывается весьма эффективным средством борьбы против опухолей, поскольку не повреждает здоровые клетки вокруг нее. Клинические испытания онколитической виротерапии показали низкую токсичность и перспективные признаки эффективности. В 2013 году препарат под названием TVEC стал первым лекарством на основе вируса для борьбы с опухолями на поздней стадии.

Использование вирусов для лечения бактериальных инфекций

Поскольку фаги нарушают метаболизм бактерий и уничтожают их, уже давно признано, что они могут играть определенную роль в лечении широкого спектра бактериальных заболеваний. Но из-за инноваций в сфере антибиотиков, фаготерапию снова положили на полку, пока рост резистентных к антибиотикам бактерий не вызвал повышенный интерес в этой области.

Отдельные виды фагов, как правило, эффективны только против небольшого диапазона бактерий или даже одного конкретного вида (основного хозяина), что изначально рассматривалось как недостаток. Но поскольку мы узнали больше о полезных аспектах нашей природной флоры, недостаток превратился в преимущество. В отличие от антибиотиков, которые, как правило, убивают бактерии без разбора, бактериофаги могут атаковать вызывающие заболевание организмы, не нанося вред нашей естественной флоре.

В то время как бактерии могут вырабатывать устойчивость как к антибиотикам, так и к фагам, разработка новых штаммов фагов займет всего несколько недель, а не лет. Фаги также могут проникать в тело, находить цель, а когда бактерии будут уничтожены, прекращать воспроизводство и вскоре вымирать.

Вакцины

Когда вакцина вводится, возбудитель начинает работать, что недостаточно, чтобы размножиться в таком размере, чтобы вызвать заболевание. Тело производит иммунный ответ, убивает возбудителя или разрушая токсин, ответственный за болезнь. Иммунная система организма теперь знает, как бороться с болезнью и будет помнить, если возбудитель снова проникнет в тело. Другими словами, ученые выяснили, как заставить возбудитель помочь своей цели защититься от него. Они даже сделали несколько шагов к разработке вакцин для нескольких форм рака и вируса гепатита B (который вызывает рак печени), вируса папилломы человека типа 16 и 18 (который вызывает рак шейки матки) и метастатический рак предстательной железы у некоторых мужчин.

Благодаря вакцинам, несколько заболеваний были вынуждены виртуально исчезнуть. Оспа остается наиболее известным примером, но полиомиелит, который хоть и не полностью уничтожен, стоит на втором месте. Несколько других заболеваний могут уйти хоть сейчас, если бы вакцины не было так трудно доставить в слаборазвитые страны.

Бактериальная утилизация отходов

Мертвые останки животных и растений, наряду с экскрементами всех организмов, содержат жизненно важные питательные вещества и запасенную энергию. Без возможности вернуть эти питательные вещества, имеющиеся источники были бы быстро исчерпаны. К счастью, многие виды бактерий выбирают именно эти источники энергии, разбивая их на свои маленькие молекулы и возвращая их в почву, откуда они затем повторно входят в пищевую цепочку.

В дополнение к этому процессу люди нашли массу способов использования его аналогов. Бактерии используются в очистке сточных вод, управлении промышленными отходами и очистке нефтяных разливов, утекших фармацевтических препаратов и сточных вод. Они также полезны в развитии аквахозяйств, борьбе с водорослями и биотуалетах. Исследователи и инженеры постоянно ищут способы применения бактерий. Возможно, их даже приспособят для расщепления пластиковых отходов.

Мы бы погибли без кишечных бактерий

Чем больше мы узнаем о полезных штаммах бактерий кишечника, тем больше мы можем включить эти знания в здоровый образ жизни. После того как было установлено, что некоторые кишечные бактерии могут играть определенную роль в ожирении, особую популярность приобрели пробиотики. Пробиотики — это бактерии, которые заменяют ферментированные пищевых продукты и в настоящее время продаются в виде добавок. Бактерии типа некоторых видов бифидобактерий могут создавать высококислотную среду, в которой менее полезные микроорганизмы выжить не могут. Жирная пища и стресс также могут играть роль в здоровье нашей желудочной флоры, убивая полезные бактерии и давая развернуться вредным бактериям, которые вызывают газы, вздутие живота и синдром повышенной кишечной проницаемости.

Бактерии кожи могут быть на передовой иммунитета

Одной из наиболее распространенных бактерий кожи является Staphlococcus epidermis. Известно, что она играет важную роль в борьбе с Leishmania major, причиной опасной болезни под названием лейшманиоз, которая рождает незаживающие язвы. Хорошая бактерия вызывает иммунный ответ под названием IL-1, который тело не может производить самостоятельно. Эти стафилококки стали обязательной частью нашего существования.

Прокариоты, которые населяют пищеварительный тракт, также охватывают и всю наружную поверхность на коже. Наряду с остальной частью нашей полезной микрофлоры кожи, они стали частью нас, когда конкурировали с менее доброжелательными микроорганизмами за право жить. Наряду с иммунными клетками нашей кожи, они защищают нас от болезнетворных бактерий и патогенных грибов, которые хотят в нас жить. Это позволяет нашим органам тратить меньше энергии, защищая наш экстерьер, и больше сосредоточиваться на вещах типа борьбы с вирусами и предраковыми клетками.

Хотя нам еще многому нужно поучиться у них и больше узнать об этих полезных бактериях, в будущем бактерии кожи будут использоваться целенаправленно.

Жизни не было бы без цианобактерий

Цианобактерии были первыми фотосинтезаторами в мире. Они использовали энергию солнца вместе с химическими веществами в первых океанах и инертный азот в атмосфере для пропитания. В качестве продукта отходов они производили кислород, который был ядом практически для любой другой формы жизни в то время. В течение примерно 300 миллионов лет все эти кислородные отходы образовали атмосферу, какой мы ее знаем, в течение архейских и протерозойских эр.

Иногда, в течение протерозоя или в начале кембрийского периода, эти бактерии формировали симбиотические отношения с некоторыми клетками эукаритот, давая клеткам пищу в обмен на стабильные условия, которые можно было назвать домом. Это были первые растения. Невероятное событие эндосимбиоза до сих пор считается одним из важнейших в становлении первой жизни.

МИРОСТРОИТЕЛЬСТВО

Можно, именно их нужно благодарить за ваш спокойный и уравновешенный характер – и даже за то, что вам удается поддерживать нормальный вес.

Поначалу первооткрыватели бактерий изрядно перепугались. Непонятные мелкие существа копошились решительно во всем, из чего можно было изготовить препарат для микроскопа – и, что самое неприятное, вызывали массу болезней: от дифтерии до сибирской язвы. К середине XIX века многие видные умы Старого света считали бактерий главными врагами человека и в их решительном уничтожении видели центральную задачу медицины.

Великий русско-французский иммунолог Илья Ильич Мечников, например, божился, что единственная надежда честного человека на здоровую жизнь – это кишка, сверкающая первородной чистотой.

Самые рьяные врачи считают пересадку кала панацеей чуть ли не от всех человеческих болезней, включая заболевания нервной системы. Энтузиаст процедуры, австралийский гастроэнтеролог Томас Бороди, со страниц авторитетного журнала Nature призывает научную общественность начать испытания пересадки кала для терапии диабета, рассеянного склероза и даже болезни Паркинсона.

С другой стороны, те же кишечные бактерии не только держат иммунитет в узде, но одновременно его стимулируют, помогая нам бороться с настоящими, опасными микробами. Поэтому пересадка кала в перспективе может помочь людям, которые часто болеют и долго поправляются.

Не исключено, что кишечные бактерии могут влиять даже на эмбриональное развитие. У женщины за время беременности микрофлора меняется несколько раз подряд, причем по четко определенной схеме. К концу беременности кишечные бактерии вызывают повышенное отложение жира, что благотворно сказывается на здоровье матери и ребенка. Ряд ученых считают, что обнаружение прямого действия кишечных бактерий матери на организм плода (например, путем выделения биологически активных веществ в кровь) – дело времени.

Задумайтесь. Генетически идентичные животные получают дозу бактерий – всего одну! – от толстых или худых, но генетически идентичных людей. Живут они в одинаковых условиях и потребляют одинаковое количество калорий. При этом первая группа толстеет, вторая – нет. Вывод из этого очень простой. Бактерии из кишечника толстого человека усиливают ожирение.

Как вообще такое возможно? Все та же научная группа Джефри Гордона еще несколько лет назад показала, что бактерии у толстых мышей отличаются от бактерий у худых животных как составом, так и свойствами. У толстых мышей кишечник был заселен бактериями, которые активно участвовали в переваривании пищи и способствовали ее усвоению. Худые бактерии едой интересовались меньше, и та в большей степени проходила сквозь кишечник непереваренной.

Складывается довольно стройная картина. Похоже, что и у мышей, и у людей кишечные бактерии могут определять, какой процент съеденной пищи расщепится на молекулы и отправится в кровяное русло. Чем больше отправляется в кровь – тем больше отложится про запас в жировой ткани.

История Липина Жао начинается как типичная история о модной диете. Дано: толстый человек с научным, желательно даже медицинским образованием. Он решает похудеть. Придумывает для этого собственную диету. Пару лет ест очень здоровую пищу, включающую какую-нибудь лично им придуманную изюминку – и закономерно худеет. По сценарию этой типичной истории весь остаток жизни теперь уже худой человек с научным образованием трясет своей триумфальной изюминкой перед падкими до революционных диет дамами, получая при этом неплохую прибыль.

За два года Липин Жао сбросил двадцать килограммов веса. Но где причина, а где следствие? Помимо экзотических снадобий, чудо-диета включала цельные зерна, пользующиеся огромным уважением у диетологов всего мира. Да и вообще рацион доктора Жао буквально по всем статьям отвечал общепринятым стандартам здорового питания. Поэтому изменения в микрофлоре могли быть просто побочным продуктом общего оздоровления организма. Иными словами, точно известно, что здоровое питание меняет микрофлору. Известно также, что при этом человек худеет – Липин Жао уже успел опробовать свою диету на большой группе добровольцев. Но влияют ли именно изменения микрофлоры на похудание – до сих пор доподлинно не известно. Европейский союз, например, пресекает практически любую попытку приписать пробиотикам какие-либо полезные свойства. Причина все та же – отсутствие доказательств.

Но сегодня Липин Жао и его коллеги считают, что доказательства вот-вот появятся. Осталось только подтвердить, что на людей кишечные бактерии влияют так же, как и на мышей из экспериментов Джефри Гордона. Скорее всего, это произойдет в ближайшие несколько лет.

Помимо пробиотиков, то есть собственно источников бактерий, есть еще и пребиотики. Это такие вещества, которые нами не перевариваются, а вот полезные бактерии в глубине кишечника уплетают их с удовольствием. К пребиотикам относятся особые углеводные молекулы, например инулин, которого много в цикории, спарже, луке и чесноке. А еще пребиотиками богат хлеб с отрубями.

Полезных бактерий обсуждают все: от профессоров в белых халатах до голливудских актрис. Кэмерон Диаз написала целую книжку про пробиотики и правильное питание. Чем так волнительна тема кишечных бактерий?

Дисгидроз - результат поражения бактерий-сапрофитов генно-паталогическими агентами, химическими консервантами и вкусовыми добавками

Без вирусов и жизнь не в жизнь – это не только о водном, но воздушном и иных, мыслимых и нет, океанах. Если жизнь и зарождается на еще более простом уровне, без вирусов ей никак не продержаться.

Вирусы обычно ассоциируются с возбудителями опасных инфекций. Но в океане они выполняют очень важную функцию, без которой вся жизнь на планете едва ли была бы возможной.

Слово “бактерия” обычно не вызывает у людей однозначно негативных чувств – ведь патогенных бактерий, вызывающих заболевания животных или растений, в конце концов, не так уж много, а вот, скажем, без бактериальной микрофлоры в пищеварительном тракте человек просто не смог бы выжить, да и вообще доля “вредных” среди бескрайнего множества видов бактерий значительно меньше, чем доля “полезных”.

Иное дело – вирус. Это слово вызывает у любого человека резко отрицательные ассоциации, что, в общем-то, вполне объяснимо: вирус всегда воспринимается как патоген, инфекционный агент, возбудитель какого-нибудь более или менее тяжелого заболевания.

Каждую секунду вирусы в океане инфицируют 100 секстиллионов организмов

Однако не все так просто. Среди вирусов доля опасных для человека патогенов тоже невелика, а их видовое многообразие превосходит видовое многообразие бактерий. Но если мир бактерий изучен примерно на 1 процент, то мир вирусов – и того меньше: на сегодняшний день описано всего лишь около 5 тысяч видов вирусов, а насчитывается их, видимо, несколько миллионов, и они поистине вездесущи. За последние годы огромное множество вирусов было открыто в мировом океане, причем оказалось, что в этой экосистеме они играют – без преувеличения – ключевую роль.

Конечно, вирусы и в океане несут смерть тем организмам, которые они поражают. Прежде всего, это микроорганизмы – зоопланктон, бактерии, одноклеточные водоросли. Проникнув внутрь клетки-хозяина, вирус использует ее метаболизм и генетический аппарат для создания множества копий самого себя. Инфицированная и перепрограммированная вирусом клетка превращается в своего рода фабрику по производству и сборке новых вирусов. Некоторое время спустя клетка-хозяин лопается и погибает, а новые вирусы выходят наружу и распределяются в воде. Каждую секунду в океане происходит ни много ни мало 10 в 23-й степени вирусных заражений.

Без вирусов экосистема океана тормозится

Казалось бы, этот процесс, многократно повторенный, должен крайне негативно отразиться на состоянии экосистемы. На самом же деле это не так, говорит канадский исследователь Кёртис Саттл (Curtis Suttle), профессор биологии университета Британской Колумбии в Ванкувере, возглавляющий лабораторию вирусологии и микробиологии моря: “Нас очень удивило то, что если вирусы из системы удалить, то в ней наступает застой, другие морские организмы перестают расти и размножаться. То есть эффект оказывается прямо противоположным ожидаемому”.

“Логика вроде бы говорит: вирус несет смерть, и чем больше вирусов, тем больше смерти, чем меньше вирусов, тем больше жизни, – продлолжает Саттл. – Но все дело в том, что гибель микроорганизма вследствие вирусной инфекции сопровождается разрывом его мембраны, и содержимое этого одноклеточного попадает в воду, где служит пищей другим организмам. Вирусы осуществляют своего рода рециклинг, утилизацию и вторичное использование питательных веществ, то есть являются одним из самых главных колесиков в том механизме, который приводит в движение всю экосистему. Без вирусов прочие колесики вращались бы гораздо медленнее”.

Вирусы в океане ускоряют производство кислорода

Но это означает, что вирусы выполняют исключительно важную функцию и для жизни вне морей – функцию, значение которой трудно переоценить. Профессор Саттл поясняет: “Многие люди не знают, что именно океанские микроорганизмы производят половину всего кислорода на планете. А вирусы, убивая каждый день примерно 20 процентов всей живой биомассы в океане, поставляют тем самым питательные вещества новым организмам”.

Обитающие в океане одноклеточные, пусть они столь малы, что невооруженным глазом их практически и не видно, составляют большую часть суммарной массы всех живых существ на нашей планете. Этот морской планктон можно разделить на две большие группы.

Первая группа – мелкие свободноплавающие водоросли. Как и прочие растения, они поглощают углекислый газ и воду из окружающей среды и за счет энергии солнечного света синтезируют простые сахара, выделяя в окружающую среду кислород. Углекислый газ и вода в океане присутствуют в избытке, но для роста и размножения водорослям нужны еще и аминокислоты, белки, пигменты и т.д., а вот необходимые для их синтеза элементы – сера, азот, железо, фосфор – часто являются дефицитом.

Вторая группа – микроорганизмы, не способные к фотосинтезу и вынужденные – как и высшие животные, включая человека, – поедать другие организмы, чтобы заполучить необходимые органические вещества. При этом они поглощают больше азота, железа и фосфора, чем им требуется, а потому выделяют излишки в окружающую среду, где эти элементы востребованы водорослями.

Удобрение океанов сульфатом железа – плохая идея

Вызванная вирусами гибель морских микроорганизмов ускоряет этот круговорот, говорит профессор Саттл: “Большая часть углерода плохо поддается усвоению, потому что она заключена в клеточной мембране, а это довольно прочная субстанция. А, скажем, азот и фосфор входят в состав белков и ДНК, эти соединения расщепляются проще. Поэтому когда вирус убивает клетку, другие микроорганизмы довольно быстро поглощают азот и фосфор, а углерод остается и медленно погружается в глубину. К сожалению, пока детали этого механизма изучены недостаточно”.

“Вместе с коллегами из других научных учреждений мы работаем над усовершенствованием существующих моделей с тем, чтобы в них лучше учитывался фактор вирусов, – отмечает канадский исследователь. – Мы пытаемся понять, каковы глобальные последствия этих процессов, и предсказать, как вмешательство в них изменит нынешнее равновесие на планете”.

Вопрос не праздный, учитывая, что некоторые горячие головы из числа ученых уже давно предлагают весьма радикальные меры борьбы с изменением климата. Сюда относится, в частности, идея внесения в океан сульфата железа в качестве удобрения, чтобы стимулировать рост водорослей, поглощающих углекислый газ из атмосферы. Уже были даже произведены соответствующие эксперименты.

Подобные проекты – они именуются геоинжинирингом – чреваты непредсказуемыми последствиями, предостерегает профессор Саттл: “Предпринимать такие попытки очень опасно, потому что мы пока плохо понимаем все эти процессы в их совокупности. С одной стороны, мы не сможем управлять цветением планктона. С другой стороны, если вирусы ускорят оборот углерода, то в конечном итоге может оказаться, что мы произведем больше углекислого газа, чем свяжем. Вносить удобрения в океан – плохая