Микробы

Женщина, которой предстояло вот-вот разродиться, обливалась слезами. Она была приписана к Первой акушерской клинике, а вот как раз туда-то ей меньше всего хотелось отправляться. Она хотела попасть во Вторую клинику и принялась объяснять доктору Игнацу Земмельвейсу, что в Первой клинике роженицы умирают гораздо чаще, чем во Второй. Это крайне встревожило молодого врача, ведь он работал как раз в Первой клинике. Неужели эта женщина права? Он решил провести исследование. Цифры говорили сами за себя. Просмотрев больничную документацию, он обнаружил, что за шесть лет в Первой акушерской клинике умерло почти две тысячи женщин, в то время как во Второй — менее семи сотен². Дело было в Венской общей больнице в Австрии полтора века назад, когда в Европе свирепствовали эпидемии ужасной родильной лихорадки (послеродового сепсиса). Приблизительно на четвертый день после родов у очень многих матерей поднималась температура, и через неделю их уже не было в живых. Болезнь эту связывали то с какими-то ядовитыми испарениями, то с плохим материнским молоком; иногда в качестве сдерживающей меры применяли свежий воздух. Все это никак не объясняло, почему смертность матерей в Первой клинике почти в три раза выше, чем во Второй.

В Первой клинике практиковали студенты-медики. В программу их обучения входили исследования трупов. Тогда как акушерки, не принимавшие во вскрытиях никакого участия, работали во Второй. Могло ли это быть как-то связано с такой огромной разницей в уровне смертности? Картина прояснилась, когда один из коллег Земмельвейса случайно порезался при вскрытии трупа. На четвертый день у него началась лихорадка, и вскоре после того он умер. Аутопсия показала наличие тех же признаков, что и у женщин, погибших от родильной лихорадки. Немыслимо: мужчина умер от родильной лихорадки! Да ведь это женская болезнь! Могло ли случиться так, что порезавшись, погибший врач вступил в слишком тесное соприкосновение с телом женщины, умершей от ужасной болезни? Земмельвейс ввел строгие гигиенические процедуры с использованием хлорированной воды для мытья рук, чтобы предотвратить передачу того, что он сам называл «трупным ядом», от мертвых тел живым пациенткам Первой клиники. Результаты были впечатляющими; смертность упала с двенадцати процентов до одного. Причина столь многочисленных смертей заключалась в том, что врачи сначала делали вскрытие умерших от родильной лихорадки женщин, а затем обслуживали рожениц, даже не помыв рук и становясь переносчиками смертельной болезни.

Кто-то может подумать, что успех Земмельвейса был провозглашен огромным прорывом в медицинской науке и практике, но, увы, человечество порой склонно закрывать глаза на очевидные вещи. Не многие медики благожелательно восприняли выводы Земмельвейса, а влиятельные медицинские круги отвергли их совершенно. Его коллег обуяла зависть, да и переступить через себя и допустить, что причиной стольких смертей стали сами врачи, было для них очень трудно. Кроме того, было много больниц, где не производилось никаких вскрытий, а смертность достигала 26 процентов. Предложение мыть руки хлорированной водой было поднято на смех. Начальник Земмельвейса в Венской больнице не продлил с ним контракт. Многие прошения привели лишь к тому, что ему предложили какую-то незначительную должность. Разочарованный и павший духом Земмельвейс незаметно покинул Вену и вернулся в родную Венгрию, даже не попрощавшись с друзьями.

В 1861 году Земмельвейс опубликовал результаты своих исследований по профилактике родильной лихорадки. Он разослал их многим врачам по всей Европе, но встречена его работа была без особого энтузиазма. Медицинское сообщество считало, что его идеи себя дискредитировали. Его все больше тревожила судьба многих молодых матерей, которым грозила смерть в акушерских клиниках, и он стал рассылать обличительные брошюры, осуждая тех, кто распространял губительную болезнь. В конце концов у него началось нервное расстройство, он впал в глубокую депрессию. Его жене пришлось поместить его в психиатрическую лечебницу, где он и скончался спустя две недели, присоединившись к тысячам матерей, которые, как и он сам, пали жертвой чьих-то предрассудков и недальновидности. Истина зачастую сталкивается с ожесточенным сопротивлением. Но, к счастью, несколько лет спустя медицинская наука все-таки признала правоту Земмельвейса, и с тех пор его чтят как героя, проложившего путь к победе над смертельной родильной лихорадкой.

Впрочем, ни Земмельвейс, ни прочие медики его времени не знали, что родильную лихорадку вызывает мельчайший живой микроорганизм, родственный микробам, вызывающим острый фарингит и скарлатину. Несколько ученых уже приступили к исследованию мира мельчайших организмов, но устойчивая связь между микробами и заразными болезнями еще не была проведена. Ныне, благодаря научному прогрессу, мы знаем, какой микроб (бактерия) какую болезнь вызывает, и о каком-то одном микробе можно написать множество книг.

Микробы имеют очень сложное строение. Одним из наиболее изученных считается Escherichia coli, которую можно найти в самых разных местах — от пищеварительного тракта человека и животных до верхних слоев почвы. Обычно это безвредный микроб, но некоторые его разновидности представляют серьезную опасность. Это мельчайший организм в форме палочки, который так мал, что если выстроить пятьсот таких бактерий в цепочку, ее длина не превысит один миллиметр. Несмотря на свои крошечные размеры, устроена она очень сложно. На внешней ее оболочке есть от четырех до десяти длинных закрученных в спираль волосков (жгутиков), с помощью которых она передвигается. Механизм, приводящий эти волоски в движение, хорошо изучен³ и служит наглядным подтверждением концепции не поддающейся упрощению или улучшению сложности, которую мы рассмотрим позже. Внутри микроб на две трети состоит из воды в количестве около 40 миллиардов молекул. Оставшаяся треть отличается поразительной сложностью. Под этим термином мы имеем в виду не просто набор разрозненных частей, но взаимозависимость различных частей общего целого, обеспечивающую их надлежащее функционирование⁴.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это информационный центр, управляющий деятельностью клеток и обеспечивающий генетический состав, который, в случае с Escherichia coli, кодирует более четырех тысяч различных видов белковых молекул. ДНК представляет собой тонкую нитеобразную спираль нуклеиновой кислоты такой длины, что ей нужно претерпеть множество сгибов, чтобы поместиться в микробе. Ведь она в восемьсот раз длиннее, чем сам микроб! Каким образом микроорганизмам удается обработать всю их генетическую информацию, просто не укладывается в голове! В Таб. 3.1 приведены некоторые подробности строения организма Escherichia coli. Белки, углеводы (полисахариды), липиды (жироподобные вещества) и прочие особые молекулы составляют около пяти тысяч различных видов молекул, большинство из которых многократно реплицируются, так что в одном микроскопическом организме насчитывается до нескольких сот миллионов особых молекул. Его малый размер вовсе не означает, что он просто устроен. Образования, которые некогда считались простейшими формами жизни, оказались невероятно сложными системами. Возникает непростой вопрос: откуда же взялась такая сложность?

Хочу предупредить: четыре следующих абзаца будут трудны для восприятия, но понять их смысл нужно, даже если вы не усвоите их во всех подробностях. ДНК сама по себе — это сложная молекула, устроенная подобно скрученной лестнице. Небольшой ее отрезок показан на Рис. 3.1. Молекула состоит из основных элементов, называемых нуклеотидами, которые в свою очередь состоят из сахара, фосфата и крайне важных азотистых оснований, которые поставляют информацию через генетический код для построения и функционирования таких клеток, как Escherichia coli. Существуют четыре вида оснований: аденин, тимин, гуанин и цитозин; сокращенно: A, T, Г и Ц. В РНК (рибонуклеиновая кислота), которая подобно ДНК играет важную роль в передаче информации в клетке, место тимина (Т) занимает урацил (У). ДНК Escherichia coli состоит из 4 639 221 оснований⁵.

Белки — это универсальные молекулы, действующие и как «рабочие лошадки», и как структурные элементы клеток. Они построены из десятков, а то и нескольких сотен более простых молекул или строительных блоков, называемых аминокислотами. Существует двадцать разновидностей аминокислот в живых организмах. В белке аминокислоты скреплены концами, как звенья в цепи или бусинки на нитке (Рис. 3.2, слева). Цепочка многократно свернута, обычно с помощью особых белковых молекул, называемых шаперонами. Окончательная форма белковой молекулы определяется положением, которое занимают различные виды аминокислот в этой цепочке. Форма белка чрезвычайно важна для его правильного функционирования, а что касается построения аминокислот, то здесь допустимы лишь незначительные перестановки, иначе в работе белка произойдут неминуемые сбои.

Когда клетка нуждается в конкретном белке, отрезок соответствующей ДНК копируется в матричные (информационные) молекулы РНК. Далее она считывается транспортными РНК, которые в сочетании с молекулами, называемыми аминоацил-тРНК-синтетазами, соответствуют каждая своему виду аминокислоты и размещают их в нужном порядке в выстраиваемом белке. Это происходит в высоко специализированных структурах, называемых рибосомами (Рис. 3.2), где прибавление аминокислот идет со скоростью от трех до пяти в секунду. Сами рибосомы имеют довольно сложное строение, будучи образованы из примерно пятидесяти различных белковых молекул и множества РНК. Одна бактерия Escherichia coli вмещает двадцать тысяч рибосом.

Каким образом производится отбор нужной аминокислоты при построении белковой молекулы? Происходит это благодаря крайне важному генетическому коду, образуемому А-, Т-, Ц- и Г-основаниями ДНК, а также А-, У-, Ц- и Г-основаниями РНК. Компьютеры работают, используя только два вида основных символов; а вот живые организмы используют четыре вида оснований. Чтобы закодировать одну аминокислоту, нужны три основания. К примеру, в РНК кодом ГАУ закодирована аминокислота глицин, а кодом ЦГЦ — аминокислота аргинин. Такой триплет из азотистых оснований, кодирующий аминокислоту, называется кодон; кодоны для двадцати различных видов аминокислот приведены в Таб. 3.2. Есть кодоны, которые запускают и останавливают процесс сборки белков. Поскольку существуют 64 возможных кодона, а аминокислот в живых организмах только 20, несколько различных кодонов участвуют в образовании одних и тех же аминокислот. Так что задействованными бывают все возможные варианты кодонов.

Более мы в эти «микроскопические» подробности погружаться не станем. Хотя продолжать можно долго, заполняя страницу за страницей описаниями многочисленных клеточных систем, подобных системе производства белков. Вы и так уже должны получить кое-какое представление о том, что микроб — это точная и крайне сложная структура. В течение жизни Escherichia coli осуществляет тысячи химических превращений, которые мы называем одним словом метаболизм, а также производит на свет себе подобных.

Организмы вроде Escherichia coli принадлежат к простейшим формам жизни. Гораздо меньшие по размерам вирусы званию живых организмов не соответствуют. Они представляют собой безжизненное сочетание ДНК или РНК с белками. Они и простые микробные симбионты не обладают способностью к воспроизводству и потому не могут претендовать на роль первых живых организмов на Земле. Появившись на свет, они не дают потомства. Вирусы воспроизводятся сложными системами в живых клетках, в которые они случайно попадают. Есть несколько микробов (микоплазм), десятикратно уступающих Escherichia coli в размерах, которые можно считать мельчайшими формами самостоятельной жизни⁶. Эти организмы еще недостаточно изучены, но уже известно, что у некоторых из них насчитывается более полумиллиона оснований в их ДНК, кодирующих почти пятьсот разновидностей белков, которые выполняют множество конкретных функций. Если жизнь на Земле возникла сама собой, то каким образом сошлись воедино все компоненты, необходимые для образования первого живого существа? Неужели случайно?