Не один дома. Естественная история нашего жилища от бактерий до многоножек, тараканов и пауков

Глава 2 Гейзеры в вашем подвале

Весной 2017 г. я снимал в Исландии документальный фильм о микробах[17]. При съемке одного из эпизодов мы неоднократно останавливались у источников – горячих, пузырящихся, дышащих серой гейзеров. Я должен был обратить внимание зрителей на них и рассказать перед камерой о происхождении жизни на Земле. Однажды меня даже оставили у одного из этих гейзеров, и мне пришлось долго ждать, когда вернется грузовик и заберет меня[18]. Киношники бывают безжалостными. Я решил воспользоваться проволо́чкой, чтобы получше присмотреться к гейзерам. Было холодно, и я подошел поближе, несмотря на сильный серный запах. Гейзер согрел меня. Вода в таком источнике нагревается под земной корой за счет вулканической активности и выходит на поверхность через образующиеся в коре трещины. В некоторых уголках нашей планеты можно легко забыть о тектонических процессах, идущих в ее недрах, как легко можно забыть обо всем, созерцая ночное небо. Но только не в Исландии. Этот остров разорван на две половины – западную и восточную, и распоротая земля явственно проступает в нагромождениях скал и грязевых потоках. Порой здешние вулканы извергаются так яростно, что на небе меркнет Солнце. И каждый божий день из-под Земли вырываются гейзеры, точно такие же, как тот, рядом с которым я стоял. При этом в них существует жизнь, и вы даже не представляете, насколько она близка к тем формам жизни, которые населяют ваш собственный дом.

О том, что есть виды, способные выжить в горячих гейзерных водах, не было известно вплоть до 1960-х гг. В те годы Томас Брок, сотрудник университета штата Индианы, проводил исследования в Йеллоустонском национальном парке, а потом и в Исландии, как раз неподалеку от того места, где сейчас стоял я. Его заинтриговала странная окраска поверхности грунта вокруг гейзеров, где можно было наблюдать постепенный переход красок от желтого, красного и даже розового цвета к зеленому и пурпурному. Брок предположил, что это результат деятельности одноклеточных организмов[19]. Так оно и оказалось. В составе этих микробных сообществ были не только бактерии, но и археи. Археи – это совершенно особое царство живых организмов, не менее древнее и не менее уникальное, чем сами бактерии[20]. Кроме того, Брок обнаружил, что многие виды микробов, живущих в гейзерах, – «хемотрофы», то есть они способны превращать химическую энергию гейзера в биологическую. Хемотрофы производят органическое вещество из неорганического без всякой помощи солнечного света[21]. Судя по всему, такие микробы населяли Землю задолго до того, как в ходе эволюции возник фотосинтез. Их современные сообщества должны быть похожи на сообщества самых первых на планете микроорганизмов. Именно в них «стартовали» первые в истории биосферы биохимические процессы. И вот теперь я, греясь теплом от гейзера, мог наблюдать, как они растут, образуя вокруг него хрустящую корку.

Но археи – не единственные обитатели гейзера. В его горячих водах можно встретить цианобактерии, способные к фотосинтезу. Кроме них, Брок нашел бактерии, утилизирующие любое органическое вещество, которое можно обнаружить в кипящей воде, будь то клетки других бактерий или трупик мухи. На первый взгляд эти падальщики кажутся не очень интересными. В отличие от хемосинтезирующих микроорганизмов, которых изучал Брок, они не могут использовать химическую энергию и употребляют в пищу живых и мертвых представителей других видов. Но позже, проведя ряд исследований, Брок убедился, что они принадлежат не только к совершенно новому виду, но и к новому роду, который он назвал Thermus aquaticus. Thermus – понятно почему, а aquaticus – чтобы обозначить среду, в которой они обитают. Открыть новый вид, а тем более новый род птиц или млекопитающих – это настоящее и большое событие[22], а вот в науке о бактериях такие вещи довольно обыденны. Обнаружить новую разновидность микробов не очень сложно, и этот, еще один новый вид, Thermus aquaticus, на первый взгляд казался ничем не примечательным. Это грамотрицательный микроб, не образующий споры, его клетки по форме напоминают желтые палочки. Очень просто, очень тривиально. И все же было в нем кое-что еще.

Брок увидел Thermus aquaticus в лаборатории, только когда разогрел питательную среду для своих бактериальных культур до температуры чуть выше 70 ºC (122 градуса по Фаренгейту). Оказалось, что этот вид предпочитает еще более высокие температуры и способен выдержать разогрев среды до 80 ºC (176 градусов по Фаренгейту). Напомню, что точка кипения воды соответствует 100 ºС (в высокогорных условиях она несколько ниже). Культура, выращенная Броком в его лаборатории, оказалась самой термостойкой бактерией на Земле[23]. Позже он выяснил, что в принципе найти эту форму жизни не так уж трудно, просто никто до него не додумался выращивать бактериальные культуры при столь высоких температурах. Обычно пробы микробов из горячих источников содержались при температуре 55 ºC, но для успешного роста Thermus aquaticus это слишком прохладно. Новые исследования открыли целый мир бактерий и архей, которые могут расти только в очень горячей среде. Для таких микробов температуры, к которым мы привыкли в повседневной жизни, невыносимы. Слишком холодно!

Зачем историю Thermus aquaticus рассказывать в книге о живности в наших домах? Да затем, что температуры и жизненные условия, существующие в гейзерах и других горячих источниках, при всей их необычности, очень сходны с теми, которые окружают нас в повседневной жизни. Один из студентов Брока предположил, что, возможно, Thermus aquaticus или сходные с ним микроорганизмы, живут, оставаясь незамеченными, бок о бок с нами. Для проверки этой гипотезы он вместе с Броком обследовал их лабораторную кофемашину, температура в недрах которой вполне соответствовала предпочтениям Thermus. Этот автомат, столь полезный для успешной научной работы, казался прекрасным местом для этого микроба. Но его там не обнаружили.

Тогда Брок начал прикидывать, в каких еще местах поблизости могут содержаться горячие жидкости. Может, в человеческом теле? Конечно, в нем не так горячо, как в гейзере, но Брок не исключал, что теплолюбивые бактерии могут там находиться, поджидая, когда человек заболеет и у него поднимется температура. Кто его знает? Не так уж сложно было проверить эту догадку. И вот Брок «выработал» порцию слюны (в электронной переписке со мной он отрицал, что слюна была его собственной, но, исходя из моего опыта общения с учеными, могу утверждать, что так оно и было), чтобы попытаться выделить из нее Thermus aquaticus. Опять неудача! Затем он, подобно Левенгуку, исследовал человеческие зубы и десны. Ни Thermus, ни других теплолюбивых микробов. Ничего подобного не нашлось ни в озере, откуда он взял пробу воды, ни в ближайшем водохранилище. Брок даже обследовал поверхность кактуса из оранжереи в Джордан-Холле (так называлось здание, в котором он работал). Ничего. Вероятно, Thermus aquaticus – это вид, живущий исключительно в горячих источниках.

Но для очистки совести Брок взял пробу еще в одном месте, прямо из крана с горячей водой в своей лаборатории в Джордан-Холле. Ближайший к ней горячий источник расположен приблизительно в 200 милях. Несмотря на это, в воде из лабораторного крана обнаружились микробы, очень похожие на Thermus aquaticus. Это была фантастика. Брок задумался: а не живут ли бактерии в водонагревателях? Вода в кране гораздо холоднее, чем в гейзере, а вот бойлер вполне мог стать для них превосходным обиталищем. Возможно, микробы жили в нем и время от времени ненароком попадали с током горячей воды в кран.

В конце концов два других сотрудника университета Индианы, Роберт Рэмели и Джейн Хиксон, взяли дополнительные пробы в разных уголках Джордан-Холла. Изучив их, они тоже нашли какую-то разновидность термофильной бактерии. Она была похожа на Thermus aquaticus, найденную Броком, но не вполне идентична ей. Поэтому на первых порах ее назвали Thermus X-1[24]. В отличие от желтоватого Thermus aquaticus, бактерия была прозрачной. И скорость роста у нее была выше. Рэмели предполагал, что это может быть новый неизвестный штамм Thermus aquaticus. Желтый цвет мог быть просто приспособлением к жизни в открытой воде источников, защищающим клетки от прямого действия солнечного света. Поселившись в водонагревателях, микробы уже не нуждались в такой защите и поэтому утратили способность синтезировать ненужный и энергозатратный пигмент. Брок, перешедший к этому времени на работу в университет штата Висконсин, рассудил, что настало время поближе познакомиться с Thermus в человеческом жилье.

Вместе со своим лаборантом Кэтрин Бойлен он принялся изучать содержимое водонагревателей в жилых домах и прачечных самообслуживания в ближайших окрестностях Висконсинского университета. В прачечных водонагреватели используются чаще и интенсивнее, чем в жилых домах. Резонно предположить, что куда больше шансов отыскать термофильных микробов именно в них. Во всех изученных местах Брок и Бойлен поднимали крышку бойлера и внимательно обследовали внутреннюю поверхность сливных труб. Температура внутри такого агрегата может быть не ниже, чем в гейзере. Вдобавок водопроводная вода содержит достаточное количество органики, чтобы Thermus aquaticus мог питаться.

Более ста лет назад эколог Джозеф Гриннел предложил называть набор жизненных условий, необходимых для существования определенного вида, экологической нишей. Слово «ниша» в английском языке происходит от среднефранцузского глагола nicher – «гнездиться», которое, в свою очередь, происходит от латинского nidus – «гнездо». Сначала оно использовалось для обозначения особых стенных выемок в домах древних греков и римлян, куда могли помещаться на всеобщее обозрение статуи и тому подобные предметы. Размеры статуи точно соответствовали габаритам ниши[25], примерно так, как температура воды в водонагревателе и растворенные в ней питательные вещества соответствуют жизненным запросам Thermus aquaticus. Но, если в каком-то местообитании имеются пригодные для данного вида условия, это отнюдь не значит, что он обязательно там поселится. Современные экологи проводят различие между нишей фундаментальной (условиями, в которых вид может существовать) и нишей реализованной (условиями, в которых он действительно живет). Водонагреватели вполне соответствуют фундаментальной нише Thermus aquaticus, но была ли эта возможность реализована, еще предстояло выяснить.

Ответ оказался положительным. Брок и Бойлен установили, что, помимо подверженных действию магмы гейзеров и кранов с горячей водой в университете штата Индианы, Thermus aquaticus встречается в бойлерах частных домов и прачечных самообслуживания в Мэдисоне, штат Висконсин. Мало того, эти микробы способны выдерживать самые экстремальные температурные условия, при которых в принципе может существовать жизнь. Чтобы найти бактерии рода Thermus, Броку пришлось отправиться на самый край света. Но, как выяснилось, он мог бы совершить это открытие, не покидая стен собственной лаборатории[26].

С того времени, как Брок провел свое исследование, о новых находках Thermus aquaticus в водонагревателях не сообщалось. Однако новый вид рода Thermus отыскался в кране с горячей водой в Исландии[27]. Это был точно такой же бесцветный микроб, какой Брок и Бойлен нашли в водонагревателях, только теперь вид назывался Thermus scotoductus, а не Thermus X-1[28]. Регина Уилпишески, аспирантка университета штата Пенсильвании, потратила несколько лет, выясняя, насколько этот микроб распространен в бойлерах. Оказалось, что достаточно: она обнаружила его в пробах, взятых из водонагревателей по всей территории Соединенных Штатов. В 35 пробах из нескольких сотен, взятых ею, присутствовал Thermus scotoductus. Исследование еще не окончено, но уже возникают новые вопросы. Почему этот вид присутствует в водонагревателях и как вообще он туда попадает? И почему другие виды теплолюбивых микробов, способных жить в гейзерах, до сих пор не колонизировали эти устройства? Отчего в прослуживших много лет водонагревателях нет столь же пестрого и сложного микробного сообщества, как в горячих источниках? Пока еще на эти вопросы никто не сумел ответить.

Я подозреваю, что в бойлерах, работающих в других уголках мира, тоже обитают теплолюбивые бактерии. Легко вообразить, что где-нибудь в далеких странах, в Новой Зеландии или на Мадагаскаре, отыщутся совершенно уникальные виды этих созданий. Но мы не знаем этого наверняка. У Левенгука, как мы помним, нашлось мало последователей. То же самое верно и в отношении исследований Брока[29]. Регина Уилпишески работает практически в одиночку. Мы не знаем, какие последствия (положительные или отрицательные) ожидают нас или наши бойлеры после их заселения Thermus scotoductus. Бактерии этого вида, взятые из других местообитаний, способны, кроме всего прочего, обезвреживать токсичные формы хрома[30]; но мы не знаем, обладают ли Thermus scotoductus из водонагревателей этим или каким-то еще полезным свойством. И все-таки история бактерий рода Thermus стала ключом ко всей истории изучения жизни в наших домах. Она прекрасно показала – может быть, впервые со времен Левенгука, – что экосистема человеческого жилища куда более разнообразна, чем принято думать, и что в нее входят не только патогены, которым прежде доставалось все внимание. Кроме того, находка Thermus в водонагревателях показывает, что современный дом стал прекрасным местом обитания для многих других видов, раньше не соседствовавших с нами, и что они могут проникать в наши жилища незамеченными. Наконец, присутствие термофильных бактерий в бытовой технике пробудило, хотя и не сразу, интерес к поискам других форм жизни в домах. Оно заставило меня и моих коллег предположить, что находка Thermus совсем не случайна и является частью куда более грандиозной истории. В наших домах можно найти такие местечки, где температура ниже, чем в самом холодном месте планеты, и такие, где царит просто адская жара. Дом – это истинный микрокосм, где представлены любые возможные условия. Вполне допустимо, что разнообразные микробы давным-давно проникли в наши жилища и освоились в них, просто никому не приходило в голову заняться их поиском. Следующий революционный шаг в этом исследовании не мог осуществиться без новых технологий – технологий, позволяющих идентифицировать микроорганизмы даже в том случае, если их нельзя выращивать в чашке Петри, технологий, сама разработка которых была связана с необычным образом жизни бактерий рода Thermus.

С НЕКОТОРЫХ ПОР НАМ ИЗВЕСТНО, что большинство видов бактерий невозможно вырастить в лаборатории – они были и остаются «некультивируемыми». Но мы не знаем, какие жизненные условия и какая пища им требуются. Поэтому, даже если подобные микробы окажутся в нашей пробе, мы их не увидим. Это значит, что на протяжении почти всей истории микробиологии такие виды оставались практически недоступными для изучения, пока какой-нибудь настойчивый и грамотный микробиолог не выяснял, что же им требуется для жизни. Так произошло и с видами рода Thermus: их никто не видел, пока Брок не принялся культивировать их при очень высоких температурах. Но недавно ситуация изменилась, и мы получили возможность исследовать и описывать виды, даже не имея ни малейшего понятия о том, как их выращивать. И произошло это не в последнюю очередь благодаря открытому Томасом Броком виду Thermus aquaticus и его родственникам[31].

Основной инструмент, используемый теперь для первичного обнаружения и идентификации некультивируемых микробов, представляет собой целую серию лабораторных процедур, которые часто называют «конвейером». Это подразумевает, что все процедуры должны выполняться в определенном порядке[32]. На входе в «конвейер» помещается проба, а на выходе мы получаем перечень содержащихся в ней видов микроорганизмов независимо от того, в каком состоянии они находятся – активном, латентном или даже мертвом. В нашем исследовании нам придется не раз к этому возвращаться, так что давайте разберемся более детально в устройстве этого «конвейера».

Все начинается с проб. Когда они доставлены в лабораторию, каждая проба помещается в небольшую пробирку с каплей жидкости. В качестве проб подойдет все, что может содержать клетки или ДНК: образцы пыли, помета животных или воды. Жидкость в пробирке содержит мыло, белки, а еще крохотные стеклянные шарики, с помощью которых клетки «разбиваются» (примерно так, как разбивают яичную скорлупу), после чего из них можно извлечь ДНК, где хранится генетическая информация бактерий. Пробирки запечатывают, нагревают, встряхивают и центрифугируют. При центрифугировании тяжелые стеклянные шарики вместе с «обломками» клеток опускаются на дно, а драгоценные нити ДНК, будучи менее плотными, поднимаются к поверхности. Оттуда их уже легко снять, как снимают пенку или вытаскивают дохлую муху из бассейна[33]. Все эти операции в общем довольно просты, их могут выполнить даже сонные студенты на лабораторном практикуме, и даже если они пропустили мимо ушей большую часть инструктажа.

Чтобы идентифицировать разнообразные организмы на основе «извлеченной» из их клеток ДНК, нам нужно прочитать эту ДНК. Ученые называют этот процесс секвенированием. Вот это уже довольно сложная штука. Микроскоп увеличивает размеры наблюдаемого объекта, чтобы сделать его доступным для изучения, а вот при секвенировании нужно сначала максимально увеличить количество ДНК, чтобы понять невидимую информацию, которую она содержит. Только в этом случае можно считать «буквы» генетического алфавита – нуклеотиды, из которых ДНК и состоит. У всех организмов, кроме некоторых вирусов, ДНК представлена двумя взаимодополняющими цепочками, соединенными друг с другом чем-то вроде молекулярной застежки-молнии. Довольно давно ученые догадались, что если бережно расстегнуть эту «молнию», то каждая из получившихся цепочек может быть скопирована, и это можно повторять раз за разом, пока у нас не окажется достаточно ДНК, чтобы приняться за ее расшифровку. Расстегнуть застежку можно путем нагрева, и это не очень сложно. А вот для копирования отдельных цепочек необходимо участие белка, называемого полимеразой, который используется для копирования ДНК всеми клетками, включая человеческие. Итак, требовалось разъединить двойную цепь ДНК, добавить немного полимеразы, а также праймер (небольшой участок ДНК, который указывает полимеразе, какой именно отрезок ДНК, или ген, нужно копировать) и некоторые нуклеотиды. Проблема состояла в том, что при таких высоких температурах, при которых происходит расщепление двухцепочечной ДНК, полимераза разрушается. Один из громоздких, дорогостоящих и трудоемких способов решения проблемы состоял в том, чтобы добавлять свежую полимеразу и праймеры после каждого цикла нагревания. Этот способ работал, но мучительно медленно, так медленно, что большинство микробиологов предпочитали сосредоточиться на изучении тех видов, которые удается культивировать, и попросту игнорировали все неизвестные и некультивируемые в то время формы.

Но однажды решение было найдено. И этим решением был Thermus aquaticus, полимераза которого дееспособна при высоких температурах. И более того, именно в таких условиях она работает наиболее эффективно. Это было как раз то, что нужно. Через несколько лет после того, как Брок открыл Thermus aquaticus, генетики поняли, что если полимеразу этого вида (сокращенно Taq) добавить к ДНК при высокой температуре, то процесс копирования пойдет гораздо быстрее. Процесс копирования ДНК с помощью термоустойчивых полимераз, называемый полимеразно-цепной реакцией (ПЦР), может показаться второстепенным для науки. Однако практически все генетические тесты, проводимые в сегодняшнем мире, от установления отцовства до поисков бактерий в образцах пыли, основаны на ПЦР. Так бактерии, обнаруженные в горячих источниках и бытовых бойлерах, те самые, что заставили нас заняться поисками невидимой жизни в наших домах, стали источником белков, необходимых для того, чтобы вести эти поиски на современном научном уровне[34].

А вот какие именно гены копируют с помощью ПЦР ученые, лаборанты или врачи и как они потом расшифровывают полученные копии ДНК, зависит уже от цели конкретного исследования и от используемой технологии. В случае если нам нужно идентифицировать все виды бактерий, представленные в отдельно взятой пробе, обычно используют ген 16S рРНК. Он так важен для жизнедеятельности бактерий и архей, что за 4 млрд лет эволюции остался почти неизменным. Именно поэтому ученые так полагаются на этот ген, который есть у всех без исключения известных видов архей и бактерий. От вида к виду ген отличается достаточно для того, чтобы идентифицировать отдельные виды, но не настолько, чтобы его не распознать. А что касается методов, используемых для декодирования множества копий этого гена, то они весьма разнообразны. Некоторые основаны на добавлении маркированных нуклеотидов (тех самых букв генетического алфавита) в пробы, ДНК которых планируется скопировать. Маркируются они особыми веществами, которые может считать машина для секвенирования, или секвенаторы. Это устройство начинает работу со считывания праймера, которым открывается нуклеотидная цепочка, а потом считывает одну за другой все последующие «буквы». Это повторяется с каждой копией ДНК в пробе, хотя там их могут быть миллиарды, и в результате формируются огромные файлы с данными, в которых записаны расшифровки всех копий ДНК. Затем эти расшифровки объединяются в группы на основе их сходства и уже тогда считанные последовательности нуклеотидов каждой группы сравниваются с последовательностями уже известных видов, полученными ранее другими исследователями[35]. Конкретные детали этого процесса постоянно меняются, но одно остается неизменным: с каждым годом секвенирование становится все дешевле и проще. Не за горами времена, когда появятся портативные секвенаторы. (На самом деле такие уже существуют, но делают много ошибок при чтении ДНК. Со временем они станут лучше.)

Итак, в наши дни, главным образом благодаря Thermus aquaticus, стало возможным взять пробу и пропустить ее через «конвейер секвенирования», чтобы идентифицировать все виды микробов, что в ней содержатся, неважно, живые они или мертвые. Для этого не нужно ни рассматривать пробу в микроскоп, ни выращивать культуры входящих в нее видов. Биологи могут распознавать формы жизни, представленные в почве, морской воде, облаках, фекалиях и вообще где угодно. И не только культивируемые виды микробов, но и множество иных, которых пока не умеют выращивать в лаборатории. В мои студенческие годы такая возможность казалась несбыточной, да просто невообразимой. Теперь это обычное дело[36]. Лет десять тому назад я со своими коллегами задумал использовать эту методику для изучения жизни в домах. К тому времени уже стало возможным и вполне доступным взять пробу пыли с дверной рамы, каплю воды из-под крана или даже кусок ткани из одежного шкафа и идентифицировать почти все виды, присутствующие в образце путем расшифровки ДНК. Левенгук имел в своем распоряжении всего лишь увеличительное стекло для изучения окружающей жизни, а мы пропускаем ее через «конвейер секвенирования». На старте этого предприятия мы не могли даже предположить, что нам удастся обнаружить. А результаты оказались поразительными, причем не только по количеству найденных видов, но и по числу тех из них, что ранее не были известны.