Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Когда группа E. coli приступает к формированию биопленки, бактерии начинают с того, что образуют выросты — фимбрии, которые связывают их между собой и стягивают в единый плотный кластер. К первопоселенцам присоединяются другие, ранее свободно плавающие бактерии, и кластер постепенно растет. Бактерии начинают выделять внеклеточные полимерные вещества, заключая себя в так называемый матрикс. Сформировавшаяся биопленка вовсе не плоская. Она больше похожа на город с высокими башнями, широкими площадями и целой паутиной спутанных улиц. В процессе его строительства каждая бактерия должна включать и выключать сотни генов по сложной согласованной схеме. В некоторых отношениях биопленка E. coli напоминает человеческое тело. Конечно, биопленка не имеет обыкновения вставать на ноги и бродить по улицам, но, подобно человеческим клеткам, клетки биопленки тоже образуют клеточные коллективы, члены которых выполняют разные функции и вместе работают ради общего выживания.

Ученые до сих пор не разобрались, для чего, собственно, E. coli сооружает биопленки, прикладывая значительные усилия. Чтобы участвовать в общем деле, отдельной бактерии приходится многим жертвовать и тратить огромную часть драгоценной энергии на производство внеклеточного полимерного вещества, которое соединяет его с другими микроорганизмами. Бактериям, оказавшимся глубоко в толще биопленки, намного труднее добывать пищу, чем свободно плавающим особям. Не исключено, однако, что преимущества биопленки перевешивают все ее недостатки. Так, биопленка может обеспечивать своих обитателей защитой. Она выдерживает резкие изменения окружающей среды. Вирусам, вероятно, сложнее проникнуть в биопленку, чем инфицировать отдельно живущую клетку. Антибиотики действуют на биопленки в тысячи раз слабее, чем на отдельные бактерии.

Возможно, биопленка позволяет бактериям объединить усилия в добывании пищи. Не исключено, что питательные вещества, попадая в плотную слизь биопленки, направляются затем по внутренним каналам к бактериям, лишенным выхода на поверхность. Кроме того, бактерии в биопленке могут сотрудничать через разделение труда. Микробы, живущие на поверхности, получают больше пищи и кислорода, чем обитатели внутренней части. При этом, однако, на них действует большее количество стрессовых факторов. E. coli, обосновавшиеся в основании биопленки, могут погружаться в состояние анабиоза, образуя что‑то вроде бактериального семенного фонда. Время от времени часть бактерий может отделиться от биопленки и уплыть прочь; какое‑то время они ведут свободную жизнь, а потом вновь обосновываются на стенке кишечника и строят новую биопленку.

Человек — самый общественный из всех биологических видов — прибегает к сотрудничеству не только при строительстве городов и ради помощи другим людям. Война с соседями тоже требует от народа серьезных согласованных усилий. В этом опять же жизнь E. coli отражает нашу социальную жизнь. Мы строим боевые ракеты и бомбы. E. coli производит химическое оружие. Химические соединения под названием колицины смертоносны для микроорганизмов. Одни из них протыкают мембрану бактерии, как копьем, и выпускают наружу ее внутренности. Другие блокируют производство новых белков. Третьи разрушают ДНК.

Чтобы инициировать колициновую атаку, некоторые бактерии E. coli должны пожертвовать самым главным. Небольшая часть бактерий популяции за несколько секунд синтезирует и накапливает внутри себя сотни тысяч молекул колицина, превращаясь таким образом в настоящие склады оружия. У этих бактерий нет каналов, через которые они могли бы аккуратно выпустить подготовленные колицины наружу. Вместо этого они начинают производить особые самоубийственные ферменты, которые просто взрезают изнутри мембрану бактерии, вызывая взрыв. Колицины выплескиваются наружу, сталкиваясь с соседними бактериями. Однако близким родичам производителя колицины не страшны, потому что у них имеются гены, с помощью которых можно изготовить противоядие. Жертвуя собой, E. coli уничтожают конкурентов и расчищают пространство для жизни и успешного размножения своих клонов. Судя по всему, общественная жизнь E. coli простирается за пределы жизни как таковой.

Если какой‑то штамм E. coli обосновался в кишечнике человека, он может обитать там десятилетиями. Однако бактерии могут и покидать своих хозяев путем настолько очевидным, что говорить о нем подробно нет никакой необходимости. Достаточно сказать, что каждый день человечество всего мира выпускает в окружающую среду более миллиарда триллионов особей E. coli. Кроме того, бессчетное количество этих бактерий выпускают на волю другие млекопитающие и птицы. Микроорганизмы уносятся прочь по трубам канализации и руслам ручьев и рек, высеваются на поверхность земли и морей. Им предстоит противостоять зимней и летней погоде, засухам и наводнениям, влачить голодное существование без привычной роскошной диеты из полупереваренного сахара. Возможно, долгое время им придется выживать вообще без пищи. В почве и воде множество хищников, которые только и ждут возможности съесть E. coli: среди них и черви — нематоды, и медленно перетекающие с места на место амебы. Некоторые хищники берут размером и массой. Другие, такие как бактерия Bdellovibrio, проникают в периплазму E. coli и разрушают бактерию изнутри. Еще один вид бактерий — Myxococcus xanthus — вырабатывает химическое вещество, которое Е. coli воспринимает как аромат пищи. Почуяв его, бактерия- неудачник сама плывет навстречу гибели.

Вероятно, для большинства E. coli покинуть хозяина — значит найти быстрый путь к смерти. Но жизнь способна играть даже с очень слабыми шансами на победу. Дуб буквально усеивает землю под собой желудями, из которых редко кому удается выжить и прорасти. Человеческое тело состоит из триллионов клеток, из которых лишь несколько переживет смерть организма и даст начало потомкам. Если хотя бы крохотная часть E. coli в дикой природе выживет и сумеет отыскать себе нового хозяина, ее жизненный цикл продолжится. К тому же у E. coli есть несколько уловок, способных серьезно повысить шансы на выживание. Ее обмен веществ настолько гибок, что она способна извлекать углерод из самых разных источников, даже из тротила. Если ее пытается съесть какой‑нибудь хищник, обитающий в почве, бактерия может избежать переваривания и вместо этого благоденствовать, превратившись в паразита. При чрезвычайно неблагоприятных обстоятельствах E. coli может сложить свою ДНК в очень компактную структуру, перейти в стационарную фазу и существовать в таком виде многие годы.