Эволюция микробного паразитизма и происхождение патогенных микроорганизмов

Эволюция бактерий

Зимой был флешмоб в Facebook: люди показывали свои фотографии сейчас и десять лет назад. Какие-то два человека сфотографировали положенные в чашку Петри таблеточки (антибиотиков. — Прим. T&P). В 2009-м вокруг них бактерий не было, а сейчас картина изменилась из-за лекарственной устойчивости, которую бактерии приобретают в результате продолжающейся у них эволюции.

Устойчивость не возникла в тот момент, когда мы начали употреблять антибиотики. Химическая война между разными микроорганизмами происходила всегда. Нас заботит вопрос, когда лекарственную устойчивость, которой раньше у них не было, приобрели наши патогены. Можно посчитать, что проходит примерно 10–15 лет между началом клинического употребления антибиотика и появлением значительного количества штаммов патогенов, устойчивых к этому антибиотику.

Самая сильная борьба идет между представителями одного вида, потому что они занимают одну экологическую нишу и соревнуются за один и тот же ресурс. Есть антибиотики — колицины, — которыми разные штаммы кишечной палочки травят друг друга. Если в одну пробирку поместить дикий штамм, чувствительный к антибиотику, и продуцент колицина, то последний сделает антибиотик и быстро убьет чувствительный штамм:

А что будет, если в одну пробирку поместить продуцент и устойчивый штамм? Производство антибиотика — штука небезобидная, оно чего-то стоит, и поэтому через некоторое время выяснится, что устойчивый штамм размножается быстрее и вытесняет продуцента. Но устойчивость тоже дается не просто так, а ценой порчи некоторых клеточных механизмов: вместе с антибиотиком из клетки выкидывается и что-то полезное. Поэтому если поместить в одну пробирку устойчивый и дикий тип, то последний постепенно вытеснит устойчивого. Наконец, если всех троих посадить в одну банку, то продуцент сразу сделает антибиотик и убьет дикого типа (потому что отравиться — это быстро), после чего их остается двое. А что бывает в такой ситуации, мы уже знаем. Останется устойчивый.

В 2002 году исследователи провели соответствующий эксперимент: взяли чашку Петри, в узлы треугольной сетки на чашке случайным образом нанесли представителей этих трех штаммов и дали им расти. На третий день колонии выросли настолько, что начали соприкасаться. В отличие от банки, где бактерии плавают и встречаются все вместе в общей среде, в чашке Петри плоская среда и антибиотик по ней не распространяется — где его произвели, он там и остается. Поэтому каждая граница смещается туда, куда ей и положено смещаться.

Спустя пару лет те же ученые сделали другой эксперимент. Они взяли 12 клеток, в каждую из них посадили трех мышек, каждую мышку заразили своим штаммом кишечной палочки и создали такие условия, чтобы мышки свободно друг друга заражали. В итоге в каждой клетке оставался всегда какой-то один штамм — и это никогда не был продуцент. Если кому-то нужна мораль — вот она: гадости делать плохо.

Подчеркну две существенные идеи этих экспериментов. Во-первых, продукция антибиотика микроорганизмом и устойчивость к антибиотику всегда даются ценой чего-то. А, во-вторых, то, как происходит отбор, зависит от условий. Когда мы вносим антибиотик, мы на самом деле добавляем новый фактор отбора.

Бездумные игры с пенициллином

В работе трехлетней давности исследователи взяли емкость размером 1,2×0,6 м, нанесли на него питательную среду и антибиотик. С одного края антибиотика не было совсем, в следующей части емкости была минимальная доза, которую бактерии не могут переносить, затем в десять раз больше, в сто раз больше и, наконец, в тысячу раз больше. Сверху повесили камеру, на края нанесли бактерии и стали снимать, что происходит.

Сначала ничего не происходило. Через 44 часа бактерии заняли зону, свободную от антибиотиков, а еще через 44 часа отдельные представители прорвались в зону, где антибиотик уже был, получили возможность там размножаться (значит, что-то у них поменялось) и постепенно заполнили следующую зону. Прошло еще 44 часа, появились еще более устойчивые и затем еще более устойчивые. Через 11 суток образовались бактерии, способные перенести тысячекратную смертельную дозу антибиотиков.

Представим человека, у которого заболело горло. Он принял антибиотик. Горло прошло через день, зачем травиться? Бросил. Что случилось? Колесико провернулось на одно деление. Следующий человек, который заразился этой же бактерией, принимал антибиотик уже два дня, следующему пришлось принимать уже недельный курс — и т. д.

О наличии бактерий, устойчивых к пенициллину, было известно еще до того, как он начал широко применяться в клинической практике во время Второй мировой войны. Уже Флеминг понимал, что «человек, который бездумно играет с пенициллином, будет морально ответственным за смерть того, кто умрет от пенициллин-устойчивой инфекции», потому что его нечем будет лечить.

Чего не надо делать? По мысли Флеминга, «не надо использовать пенициллин без установленного диагноза, в недостаточных дозах, в течение малого времени, потому что это именно те условия, в которых вырабатывается устойчивость». И это ровно то, что мы радостно делали все 60 лет после изобретения пенициллина. У нас есть косметика с малыми дозами антибиотиков. Антибиотики свободно продаются в аптеках и используются в животноводстве и птицеводстве. Порядка 80% тоннажа антибиотиков в США идет на корм скоту, а вовсе не для лечения людей, причем 60% из этих антибиотиков применяются и в медицине.

На фермах патогены встречаются с почвенными бактериями. Химическая война в почве происходила всегда, но раньше патогены никогда не встречались с антибиотиками, у них не было этого фактора отбора. Теперь же в результате горизонтального переноса генов, когда один вид бактерий может получить ДНК другого, получился биореактор — ровно те условия, которые нужны, чтобы вырастить лекарственно-устойчивый штамм. В результате растет доля заболеваний, вызванных такими бактериями.

У этого явления есть и экономическое следствие: разработка антибиотиков становится невыгодной. Затраты на их разработку колоссальные, а время жизни антибиотиков, когда они действительно работают и когда их покупают, не очень большое. В результате количество новых антибиотиков, введенных в клиническую практику, уменьшается год от года. В 1990 году фармкомпаний, которые занимались антибиотиками, было 18, в 2011 году их было уже только четыре.

Сегодня существуют штаммы бактерий, обладающие множественной лекарственной устойчивостью. По данным ВОЗ, в России более 18% заболеваний туберкулезом вызвано штаммами, с которыми бороться более-менее нечем. Терапия как у Антона Павловича Чехова — кумыс и свежий воздух. Дело в том, что классический советский, а теперь и российский курс лечения туберкулеза очень длительный. В России много тюрем и колоний, человек попадает в одну из них, там у него диагностируют заболевание и начинают лечить. Не долечившись, человек выходит на свободу, и у него ни денег нет, ни желания тратить их на лекарства. В результате у нас куча недолеченных людей, тот же самый биореактор, что и в опытах. И это все — классическая эволюция, описанная Дарвином еще 150 лет назад в книге «Происхождение видов», без всяких современных надстроек.

Эволюция прокариот

Опираясь на распространенное мнение, развитие прокариот происходило еще в восстановительной первичной атмосфере. Самыми первые прокариотические организмы обитали в водоемах, которые были богаты органическими веществами, они существовали там за счет брожения и обладали главными функциями анаэробного обмена. По информации, первые окаменелости появились примерно 3,5 миллиарда лет назад и найдены они были только в регионах Южной Африки и Австралии. Именно с этого момента начинается история эволюции прокариот.

Хоть и самая ранняя жизнь на планете Земля была представлена только простейшими прокариотами, она была довольно разнообразна. Распознали их остатки по небольшим размерам клетки. Найденные окаменелости имеют формы не только отдельной, небольшой клетки, но и целых макроскопических сообществ прокариот, под названиями бактериальные маты и строматолиты.

Первый из них, бактериальный мат – представляет собой многослойное образование, которое состоит из многих видов организмов, которые составляют экосистему. Вероятнее всего, что саамы древние бактериальные маты были двухслойными. Верхний слой населяли автотрофы, нижний – гетеротрофы. Также в нижнем слое могли жить различные бактерии, потреблявшие сульфаты и водород и вырабатывающие сероводород.

Сегодня, глубоко под землей, в слоях, которые содержат в себе воду и которым больше 3 миллионов также обнаружены подобные «автономные микробы». Автотрофные организмы проводят синтез органических веществ, используя для этого энергию, которая получается из окислительно-восстановительных реакций или при помощи фотосинтеза. Таким образом, органические вещества насыщаются углекислым газом. Фотоавтотрофы же делятся на клетки, которые не выделяют кислород (аноксигенные), и на те, которые его выделяют (оксигенные).

Строматолит — осадочное образование, которое также состоит из слоев, сформировалось которое в результате функционирования микробных групп. Главным строительным материалом строматолита является карбонат кальция. Сейчас эти бактерии очень редки, так как появившиеся в ходе эволюции эукариоты препятствуют их образованию. Однако ученые находят их в тех местах, куда эукариотам не добраться, а именно в местах с аномально высокой соленостью (соленые озера, лагуны, морские бухты). Недавно строматолиты были обнаружены в пресных водах озер Канады и Турции.

Самые древние прокариоты, скорее всего, были представлены в виде хемоавтотрофов. Пристраиваясь к какой-нибудь медленной химической реакции, они ее катализировали при помощи подходящего фермента, тем самым ускоряли. К примеру, при помощи водорода прокариоты могли восстановить углекислый газ до метана. Энергию, которая выделялась в результате этого, принимали другие ферменты и использовали для того, чтобы синтезировать АТФ. Прокариоты, имея запас АТФ имели возможность осуществлять химические реакции, на которые нужны затраты энергии.

Точной информации о том, при каких температурах жила и развивалась древняя жизнь, нет. Но можно предположить, что температуру, в которой приходилось жить прокариотам, отражает строение их белков.

Эволюция человека

У одного чудесного белка — дофаминового рецептора — есть, грубо говоря, две формы — так называемая длинная и так называемая короткая. Длинный вариант часто бывает у людей, показывающих высокие значения по тесту на novelty seeking (поиски нового).

Короткий вариант часто встречается у людей в Китае, а длинный — в Америке и в Австралии у белого населения. Причины ясны. Кто едет на новый континент? В Америку отправлялись за теми самыми поисками нового, а в Австралию просто ссылали каторжников (ясно, что поведение, связанное с поисками нового, часто приводит людей на каторгу).

Другой пример: в начале прошлого века индейцы пима, живущие в Аризоне и в Мексике, были стройными, а сейчас у них тотальная эпидемия ожирения. Дело в том, что бóльшую часть времени человек эволюционировал в ситуации, когда еды было мало и способность запасать ее в виде жира была адаптивной. Грубо говоря, человек забивал мамонта, наедался, запасал это в качестве жира и жил до следующего мамонта. Сейчас «Макдоналдс» на каждом углу, запасать ничего не надо. Старые приспособительные механизмы остались, а направление эволюции поменялось. Теперь отбор действует в другую сторону, и адаптивными оказываются варианты, способствующие сжиганию жира.

Гены все время эволюционируют. Сейчас уже накопилось достаточно данных, чтобы проследить за человеческой эволюцией последнего времени. Ученые посмотрели, как действовал отбор в течение последних двух тысяч лет на Британских островах, и оказалось, что очень адаптивно быть высоким голубоглазым блондином или блондинкой.

Сегодня развиваются медицина и социальная структура общества, и отбор происходит совсем не так, как когда племена охотников жили в лесу. Это влияет на эволюцию: увеличивается генетический груз, то есть доля вредных и слабовредных мутаций в популяции. Ухудшаются стартовые возможности — и физические, и когнитивные. Тем не менее с развитием медицины и педагогики и на таком субстрате потенциально мы можем добиваться лучших результатов. Что с этим делать — отдельный вопрос.

Эволюция микробного паразитизма и происхождение патогенных микроорганизмов

Эволюция паразитизма у сапрофитных бактерий и простейших базируется на расширении мест обитания, а также борьбе за новые сферы распространения.

Первыми возникли факультативные паразиты, использующие организм хозяина в качестве питательного субстрата, но не наносящие ему значительных повреждений. Данная форма «сожительства» носит название комменсализма. В настоящее время она характерна для гнилостных сапрофитов, дрожжеподобных грибов и условно-патогенных микроорганизмов, обитающих в кишечнике животных и человека. Спровоцировать патологические процессы они могут при создании благоприятных условий (снижение иммунитета под действием экзогенных и эндогенных факторов).

В дальнейшем появились факультативные (шигеллы, менингококки, микобактерии), а затем облигатные (патогенные простейшие, хламидии, риккетсии) внутриклеточные паразиты.

По мере увеличения количества патогенных микроорганизмов, усовершенствования их вирулентных и токсических характеристик, развивались специфические и неспецифические способы иммунной защиты хозяев. Это стало одним из основных факторов естественного отбора.

Основные определения

Экология вирусов — это область вирусологии, изучающая взаимосвязь вирусов с объектами внешней среды.

Микроэволюция – это эволюционный процесс в популяции, приводящий к видообразованию новых разновидностей микроорганизмов за короткий период времени.

Фотолиз — это реакция разложения химического вещества под воздействием световой энергии.

Гетеротрофы — это микроорганизмы, которые питаются готовыми органическими веществами. Хемосинтезирующие автотрофы – это бактерии, источником энергии для которых служит реакция соединения железа и серы.

Коацерватные капли — это высокомолекулярные протеиновые структуры, которые появились из раствора с коллоидными частицами.

Подвижные генетические элементы — это автономные образования, содержащие информацию о структуре определенных протеинов и обеспечивающие возможность их перемещения из одной части генома в другую.

Сапрофитные бактерии — это микробы, использующие для питания органические вещества. Они являются антиподами паразитов.

Как повлияло появление многоклеточных организмов на ход эволюции

Первыми прокариотами, которые могли появиться в водной среде, считаются анаэробные микроорганизмы, осуществлявшие свою жизнедеятельность за счет брожения. Через 1 млрд лет после того, как появился кислород, все эукариоты, большинство которых является аэробами, начали активно заселять водные пространства планеты.

Размножаясь, одноклеточные микроорганизмы образовывали многочисленные колонии. Большая скученность привела к появлению у них специализации и определенных клеточных структур. У одних сохранились жгутики и ворсинки, другие их потеряли, сохранив взамен ложноножку. Таким образом, происходит расслоение колоний, где каждый устойчивый слой выполняет определенные функции. Это можно считать началом эволюции одноклеточных форм до наиболее высокоразвитых животных.

К первым многоклеточным животным относятся губки, кишечнополостные и членистоногие. Дальнейшее развитие было направлено на усовершенствование способов передвижения, дыхания и координации функций клеток организма.

По мере того, как шла эволюция бактерий, грибов, растений и животных, произошел их выход на сушу. Это привело к быстрому появлению высокоорганизованных форм жизни.

Одноклеточные микробы сыграли основную роль в образовании многоклеточных организмов.

Рак как эволюционный процесс

Рак на самом деле тоже эволюционная болезнь. Каждая опухоль неоднородна, разные клоны раковых клеток соревнуются за ресурс, которым является организм человека, заболевшего раком. В разных клонах происходят разные мутации, и быстрее всего делящийся клон становится большинством в опухоли. Это описывается классическими эволюционными построениями. Можно сравнить картинку из обзора 1965 года (просто про отбор) и изображение из обзора 2006 года (про отбор в раке). Прошло 40 лет, но, кроме цвета, они ничем не отличаются.

Современные методы позволяют брать образцы из разных участков опухоли, определять последовательность генома клеток и смотреть, какие мутации произошли. На получающемся эволюционном дереве становится видно, как постепенно опухоль набирает мутации, делающие ее все более и более злокачественной. Несколько лет назад редакционная статья в Science, одном из самых гламурных научных журналов, была посвящена тому, что врачей надо учить эволюционной теории, потому что без этого понимания лечить многие болезни уже не получается.

Даже жизнь лимфоцитов в нашей иммунной системе, процесс возникновения иммунитета происходит в той же эволюционной парадигме. Фактор отбора — это качество узнавания антигена: когда мы чем-то заболели или вакцинировались, быстрее делятся лимфоциты, которые лучше узнают антиген, и у нас появляется иммунитет к данному возбудителю.

Эволюция вирусов

Вирусы представляют собой микроскопические частицы, которые состоят из молекул нуклеиновых кислот, заключенных в протеиновую оболочку (капсид). Особенностями вирусных микроорганизмов является наличие только одного типа нуклеиновых кислот (РНК или ДНК), а также неспособность размножаться, находясь вне клетки хозяина.

Откуда взялись бесклеточные организмы

В настоящее время выдвинуты следующие теории происхождения вирусов в ходе эволюции:

• регрессия одноклеточных микроорганизмов;
• переход доклеточных форм к паразитическому способу жизни;
• отсоединение отдельных участков ДНК или РНК клеточных организмов с сохранением зависимости.

У каждой теории существуют недостатки, не позволяющие ее принять за единую правильную версию.

Изменчивость и наследственность вирусов

Эволюцию вирусов ученые пытаются проследить, проводя анализ геномов современных микроорганизмов.

Выяснено, что развитие вирусов происходит в результате изменения последовательностей соединения участков ДНК или РНК под воздействием различных внешних факторов. Это приводит к возникновению более адаптированных к создавшимся условиям мутантов, способным сразу же воспроизводить себе подобных. Такая быстрота генетических изменений ускоряет эволюцию данных микроорганизмов, способствует появлению новых заболеваний, повышает устойчивость вирусов к неблагоприятным воздействиям.

Особенности эволюции вирусов на современном этапе

В ходе эволюции, помимо мутаций, у вирусов выработалась «антигенная изменчивость», результатом которой является создание новых штаммов микроорганизмов. Данный процесс заключается в «перемешивании» генов различных вирусов при заражении клетки микрочастицами, имеющими сходное происхождение.

Возникающие штаммы обладают большей вирулентностью, способностью противостоять антимикробным препаратам и дезинфицирующим средствам, а также заражать другие виды макроорганизмов.

Почему вирусы называют двигателями эволюции

Изучение роли вирусов в эволюции жизни на Земле привело ученых к выводу, что их жизнедеятельность спровоцировала треть всех изменений, оказывающих влияние на геном животных и человека. Постоянное противостояние этим микроорганизмам привело к формированию всех органов и тканей, выполняющих различные функции. Поэтому вирусы еще называют стихийным злом эволюции. Однако считается, что живой мир планеты не был бы таким, какой он есть сейчас, если бы не вирусы.

Влияние вирусов на эволюцию человека происходило во время инфицирования клеток, участвующих в процессе размножения. Образовавшиеся провирусы внедрялись в геном, становясь частью наследственной информации. Подобные мутации повлияли на изменения геномов даже в большей степени, чем это было возможно в ходе естественной эволюционной изменчивости.

Исследуя роль вирусов в эволюции эукариотических клеток, ученые обнаружили вирусное происхождение некоторых структурных элементов. Также существует теория вирусного возникновения ядра. В ее основу положено происхождение клеточного ядра от большого ДНК-содержащего вируса. Проникнув в архею и начав размножаться, микроорганизм стал полностью ее контролировать.

Возникновение и развитие микроорганизмов

Формирование планеты Земля происходило около 3,5 миллиардов лет назад, этот этап ее развития назывался догеологическим. Тогда никакой жизни на нашей планете не было. Как установили ученые, жизнь на Земле начала появляться 3 млрд. лет назад. В самой древней эре – катархее докембрий, атмосфера нашей планеты состояла только из аммиака, углекислого газа, водорода и паров воды. Кислорода в слоях Земли не было.

В больших количествах в атмосфере было углекислого газа, который поднимался из недр Земли при извержениях вулканов. Большие количества углекислого газа уходили на то, чтобы образовывать сложные углеродные соединения и известняки. Развивались различные химические процессы, имевшие восстановительный характер. Накопление органических соединений приводило к образованию аминокислот.

Следующая эра, называемая докембрий, это самый важный этап в истории нашей планеты, именно тогда начали формироваться условия для зарождения жизни.

По теории академика А.И. Опарина, жизнь на Земле возникла из неорганического, неживого, «косного» вещества, путем того, что органические вещества усложнялись и развивались белковые вещества. Так, в мировом океане появился материал для возникновения жизни. Из соединений, которые образовывались в морях и океанах образовывались системы, которые обладали постоянным обменом веществ, то есть первые живые организмы.

Первая форма жизни была в форме капли. Анаэробы – это первые существа, которые заселили нашу планету, но они были немного другого состава, чем современные бактерии. Они были подобны вирусам.

В следующей, архейской эре, начали развиваться бактерии и водоросли. Самой древней группой бактерий были соединения углеводорода и аммиака. Огромное значение имело возникновение водорослей и бактерий, которые были способны выполнить фотосинтез. Именно эти бактерии способствовали наполнению нашей биосферы необходимым для жизни кислородом.

Как раз, эпохой активного развития одноклеточных водорослей стал протерозой. Развивались водоросли в основном на мелководьях. Начали появляться автотрофы. Благодаря развитию водорослей планета насыщалась кислородом, что привело к появлению аэробных микроорганизмов. Поглощая углекислый газ, водоросли образовывали органическое вещество, которое стало превосходным материалом для образования горючего газа и нефти.

Животный мир этой эпохи был представлен простейшими одноклеточными. Развитие этого мира шло очень медленно, так как еще не было значительного запаса свободного кислорода. Так что, именно протерозойская эра стала основоположником жизни на нашей планете и дальнейшему развитию всего живого. Благодаря развитию большого количества и видов микроорганизмов состав нашей атмосферы максимально приблизился к существующему. Это и позволило в следующей, кембрийской эре появиться первым живым существам.

Эволюция вирусов

Вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ) мы заразились от обезьян, причем несколько раз: вирусом первого типа (основным, который вызвал эпидемию синдрома приобретенного иммунодефицита — СПИД) — от шимпанзе, а вирусом второго типа — от макак. Так выглядит эволюционное дерево разных штаммов ВИЧ, взятых от обезьян и людей:

Длина веточки — это количество мутаций, произошедших в вирусе за это время, прошедшее с момента появления ВИЧ. Образец, который взят раньше, еще не накопил всех мутаций, которые могли бы случиться. Если один образец взят 15 лет назад, а другой сейчас, то по сравнению с предком у современного образца замен будет больше. Существует общий предок всех этих вирусов, и по количеству замен мы можем понять, сколько времени прошло от каждого современного образца до этого общего предка. Если по одной оси отложить расстояние по эволюционному дереву, а по другой — дату, когда взят образец, то мы увидим линейную зависимость. Если экстраполировать ее назад, в точку, где количество замен равно нулю, то мы узнаем, когда жил общий предок всех этих вирусов. Так ученые выяснили дату, когда началась современная эпидемия СПИДа, — 1930-е годы.

До сих пор речь шла о случайных изменениях в вирусе. Но ведь у него бывают и полезные замены: вирусу необходимо менять свои поверхностные белки, потому что он борется с иммунной системой, научившейся распознавать его предыдущую версию. Есть методы, позволяющие идентифицировать места в белке, которые эволюционируют быстрее, чем если бы это было случайно. Идея в том, что если мы хотим сделать вакцину от ВИЧ, то она должна быть разработана против такого места в вирусе, которое он не сможет легко и быстро поменять.

Литература

• Kerr B, Riley MA, Bohannan BJ. Nature 2002

• Kirkup BC, Riley MA, Nature 2004

• Michael Baym, Tami Lieberman, Eric Kelsic, Remy Chait, Rotem Gross, Idan Yelin, Roy Kishony. The Evolution of Bacteria on a “Mega-Plate” Petri Dish. Harvard Medical School, 2016

  

  

  

  

  

  

  

  

• Penicillin finder assays its future; Sir Alexander Fleming Says Improved Dosage Method Is Needed to Extend Use Other Scientists Praised Self-Medication Decried // New York Times, June 26, 1945

• Randolph M. Nesse, Stephen C. Stearns, Gilbert S. Omenn. Medicine Needs Evolution. Science 24 Feb 2006: Vol. 311, Issue 5764, pp. 1071

• Field Y, Boyle EA, Telis N, Gao Z. Detection of human adaptation during the past 2000 years. Science. 2016 Nov 11;354(6313):760-764.