«Люди говорили, что он особенно гордился белизной зубов и следил за гигиеной рта», – так пишет биограф Лора Снайпер о голландском торговце и магистрате Антони ван Левенгуке, который в свободное время охотно занимался изготовлением стеклянных линз. Ученые-современники стали воспринимать его всерьез лишь тогда, когда воочию увидели увеличенные изображения живых Animalcules, которых мы сегодня называем микробами. Антони ван Левенгук открыл окно в новый мир и начал повсюду искать следы микробов. Этим он занимался и одним сентябрьским утром 1683 года, прополаскивая рот соленой водой, протирая зубы платком и доставая остатки еды остро заточенным пером.
Обнаруженный в процессе зубной налет он растворил в воде и слюне, а после хорошенько рассмотрел под стеклянной линзой. Левенгук был удивлен количеством крошечных организмов, которых он вдруг увидел. Некоторые из них стремглав промчались по жидкости, как щуки, а другие, напротив, кружились по кругу, словно комары или мухи. «На зубах в собственной полости рта живет больше существ, чем людей в целом королевстве», – должно быть, говорил он. Лишь три столетия спустя другой человек со столь же необычным увлечением доказал, что образ королевства как организованного единства удивительно удачно подходит для описания мира микробов.
Что делать ученому, который хочет объединить работу над бактериями со своей страстью к горам? Анализировать состав микробов в горных водоемах, конечно! Таким был план Билла Костертона, когда в 1970-е годы он отправился в поход в Скалистые горы Канады. Вопреки ожиданиям, в ледниковых ручьях почти не оказалось микробов, тогда как камни у берегов были покрыты такой скользкой биопленкой, что «легко можно было упасть задом в воду», как Костертон впоследствии говорил в интервью.
Для него эта находка была, вероятно, моментом озарения, поскольку биолог внезапно понял важное значение бактериальной слизи. Будучи «отцом биопленки», Костертон главным образом поспособствовал эволюции мысли в сфере биомедицины, в которой прежде господствовало мнение о том, что микробы – это свободные одноклеточные организмы в жидкой среде. Дело в том, что в окружающей среде, на промышленном оборудовании и в человеке такая ситуация представляет собой скорее исключение из правил. А вот нормой является именно биопленка. Поэтому представители одного или нескольких видов микробов селятся на мокрых поверхностях, таких как берег ручья, медицинские имплантаты и наши зубы.
И если бы дело заканчивалось одними только бактериями, археями и грибками. Микроорганизмы дополнительно окружают себя неприступным матриксом, неким слизистым бункером, охраняющим их от угроз окружающей среды и антибиотиков. Свидетельством нашего бессилия перед такими явлениями выступает то, что со времен Антони ван Левенгука не столь уж многое поменялось в правилах гигиены полости рта. Мы до сих пор должны тщательно убирать биопленку с зубов – сейчас мы это делаем с помощью зубной щетки.
Билл Костертон также быстро выяснил, что при инфекциях бороться с биопленкой тоже крайне сложно. В связи с этим важной задачей биомедицины он назвал разработку эффективной терапии против слизистых микробных сообществ, а отнюдь не развитие ложной гипотезы о свободном индивидуальном существовании микробов. Открытие Костертона уже давно не оспаривается, однако задача проще не стала. Это связано с тем, что биопленка – это не только древнейшая форма жизни на Земле, но и, благодаря очень длительной эволюции, крайне успешный эксперт по выживанию.
Жизнь появилась примерно четыре миллиарда лет назад, при этом первыми живыми существами с большой долей вероятности были микробы. «Я предполагаю, что они очень быстро научились производить слизь, – говорит микробиолог Ганс-Курт Флемминг. – Возможно, какой-то вид слизи к тому моменту уже существовал. Пребиотические полимеры тогда уже тоже могли быть слизистыми». Со временем разнообразие микробов достигло миллиарда видов. Они поселились во всех уголках и нишах планеты, при этом изменив их под свои нужды.
Микробы, как инженеры наших экосистем, дают импульс биогеохимическим процессам и циклам на планете. Они разлагают любые вещества, а затем с тем же успехом могут их восстанавливать. К примеру, атмосфера обогатилась кислородом предположительно после того, как цианобактерии многократно осуществили фотосинтез. Они научились производить жизненно необходимый нам и всем высшим организмам кислород, а также сахар из углекислого газа и солнечного света. Микробы – это фундамент биосферы, которая представляет собой населенную всеми видами организмов оболочку нашей планеты. Она простирается на километры вглубь земной коры и вверх за облака, то есть в чрезвычайно агрессивные для жизни пространства. Границы биосферы расположены там, где суровым природным условиям могут противостоять исключительно самые выносливые микробы.
Правда, существуют и другие пограничные зоны, требующие от их обитателей определенной стойкости. Это границы между воздухом, землей и водой. Микробы на них селятся, подчиняют их своим потребностям и начинают доминировать. Решающим фактором для их успеха является биопленка – слизистый слой, защищающий микробов от агрессивного влияния окружающей среды и создающий основу для их взаимодействия. Стоит упомянуть, что микробы могут выжить и без биопленки, однако в форме сообщества они приобретают совершенно новые свойства, становясь почти что многоклеточным организмом.
Первые сохранившиеся формы слизи этого вида насчитывают по меньшей мере три с половиной миллиарда лет. Местом их происхождения считают регион Пилбара в Австралии. Это останки микробных строматолитов, которые задолго до кораллов создали первые рифы и окружили океаны. Как и в случае с современными биопленками, микробы тогда объединялись в тонком слое слизи. В тот период матрикс обогатился минералами, что сделало проживание в нем микробов невозможным, в связи с чем последние надстроили верхний ярус. Слизь все разрасталась вверх, подобно оладушку на сковородке, и затем, наконец, появились слоистые строматолиты.
Такие биопленки, правда, представляют собой результат более сложного взаимодействия. Микробы очень быстро поняли, что под гелевой оболочкой им гораздо проще противостоять окружающей среде. Более того, потом можно совместными усилиями построить дом из слизи. Никто однозначно не может ответить на вопрос, когда и как это произошло. Неоспоримо лишь то, что биопленка – это первая, наиболее распространенная и наиболее успешная форма жизни на Земле. Слизистый матрикс, в свою очередь, это ее темная материя. «Здесь еще столько вопросов остаются без ответа, – говорит Ганс-Курт Флемминг. – Слизь создает идеальную основу для жизни в биопленке. Однако мы пока не можем сказать, какие именно компоненты были привнесены конкретными микроорганизмами в каждый отдельно взятый момент времени».
С уверенностью, впрочем, можно судить о том, что многогранный и легко приспосабливающийся матрикс объединяет и защищает своих обитателей. Он дает им возможность существовать в таких экстремальных условиях, как кипящие источники, ледники, радиоактивная вода и морское дно под высоким давлением. Матрикс появляется, когда микробы выделяют так называемое внеклеточное полимерное вещество. Высвобожденные однажды, эти длинноцепочечные экзополимеры создают желеобразный материал, содержащий вплоть до девяноста семи процентов воды. Матрикс – это не инертная слизь, а хорошо организованный «город микробов». Как он строится? Сначала микробы должны в достаточном количестве собраться вместе. О подобном объединении они договариваются через специальные химические сигналы, которые также помогают оценивать количество будущих обитателей.
Когда численность достигает нужного показателя, микробы могут образовать совместную биопленку. Если речь идет о возбудителях заболеваний в организме человека, то симптомы инфекции появляются лишь тогда, когда с хорошо защищенными микробами становится особенно сложно бороться. Задача правильно выбранного лечения состоит в воспрепятствовании появлению биопленки, и ключ к этому – взаимодействие между микробами. Если этому взаимодействию можно помешать, или им можно манипулировать, то даже самых опасных патогенов удастся удержать в безвредном одиночестве. Данный механизм пока не очень известен, однако определенные молекулы муцина в человеческой слюне поступают таким образом с бактериями кариеса. Они держат их на карантине: микробы выживают, но не объединяются, в результате чего остаются безвредными.
Если биопленка все же появляется, то матрикс становится слоем, отделяющим сообщество микробов от окружающей среды. Матрикс является посредником как для внутренних процессов, так и для взаимодействий микробов с внешним миром. В таком случае его уже никак нельзя назвать аморфным гелем. Матрикс – чудо многогранности. Его структура неоднородна: некоторые зоны в матриксе более твердые, а другие – более вязкие, что лучше подходит для подвижных микробов. Более того, посредством изменения таких характеристик, как значение pH, температура и содержание кислорода, матрикс создает разные зоны обитания. Иными словами, для каждого обитателя существует подходящий микроклимат.
Таким образом, в матриксе могут найти убежище самые разные сообщества. При этом между обитателями существует разделение труда, в связи с чем устройство матрикса начинает еще больше напоминать супер-государство или организм. Со временем потребности меняются, соответственно, матрикс последовательно и динамично меняет свою структуру. Это требует много энергии, но результат оправдывает затраты, потому что жизненные процессы сообщества начинают протекать эффективнее, и шансы на выживание увеличиваются. К примеру, в матриксе микробы обмениваются генетическим материалом, дружно регулируя при этом активность собственных генов. Подобная согласованная деятельность удовлетворяет нужды сообщества, в частности, помогает успешно бороться с антимикробными действующими веществами.
В матриксе распределяются и питательные вещества. Они либо всасываются через его пористую верхнюю поверхность, либо впитываются из расположенного внизу субстрата. Вне зависимости от источника питания, оно распределяется по матриксу через систему каналов, уходя так глубоко в биопленку, что все микроколонии сполна обеспечиваются пищей. Умершие микробы разлагаются, превращаясь в полезный ресурс для оставшейся части сообщества. Уклад жизни в матриксе настолько справедливый, что даже солнечный свет проникает глубоко в биопленку, следовательно, все обитатели получают равную дозу лучей.
А что происходит с мусором? Микробы сообща выделяют энзимы, а те разлагают отходы. Здесь также рекомендовано разделение труда, поскольку оба процесса в матриксе протекают в одном и том же месте. Иными словами, микробы занимаются утилизацией мусора путем внешней переработки. Стоит отметить, что участие в таком субботнике добровольное. Некоторые клетки самостоятельно живут в биопленке, другие объединяются с особями того же вида, третьи образуют разнообразные колонии. Следовательно, в сообществе существует много разных уровней. На основе этого можно утверждать, что это скорее экосистема, а не просто «город микробов».
Рисунок 29. Палеонтолог Чарльз Дулиттл Уолкотт (2) обнаружил месторождение сланцев Бёрджес (1) с кембрийскими ископаемыми, такими как Anomalocaris (3). Орган в церкви Святого Буркхарда в Хальберштадте играет рассчитанную на шестьсот тридцать девять лет музыкальную композицию (4). Dickinsonia costata существовала еще в эдиакарский период (5)