Основу мембраны составляют липиды. Липид – форма органического вещества, к которой также относятся жиры. Мембранные липиды сложнее, чем жиры, откладываемые в жировой ткани и преобладающие в пище, но обладают отчасти похожими свойствами. Жиры, как известно, не любят воду в силу своей химической природы: если смешать масло с водой, они разбегутся в разные стороны и образуют два слоя. Но липиды в клеточной мембране отличаются раздвоением личности. Одна часть молекулы мембранного липида (ее иногда называют «хвост»), как и типичный жир, воду не любит. Но этот «хвост» прикреплен к «голове», которая, наоборот, стремится окружить себя водой (в химии это называется гидрофобностью и гидрофильностью, то есть водобоязнью и водолюбием).
Что произойдет, если такие молекулы смешать с водой? Головам будет хорошо, а хвостам некомфортно. Хвосты будут лихорадочно искать место без воды. Пытаться сгрудиться в каплю, в которой этой воды не будет. Но головы не хотят быть в середине жировой капли, они хотят быть в воде.
Как решить такую проблему? Нужно сгрудиться не в каплю, а в плоский слой, в котором головы плотно прижаты друг к другу и не пропускают воду. Такой слой можно замкнуть в шарик – мицеллу, а можно прижать к другому такому же слою так, чтобы головы смотрели наружу с двух сторон, а хвосты мирно отдыхали в своем маслянистом пространстве посередине. Двойной слой липидов, или липидный бислой, и составляет основу клеточной мембраны. Красота тут в том, что в основе такой настолько космически сложной и навороченной машины, как клетка, лежит механизм уровня учебника химии за седьмой класс: гидрофобность липидов. Целостность и неделимость организма как явления объясняется процессами, которые происходят при взбалтывании масла с водой.
Так что клетка – это не просто деталь организма, а его архетип. Во многом корректнее думать о людях как об одноклеточных, состоящих из множества клеток, чем о бактериях – как об отдельно взятых деталях многоклеточных. И все-таки наши с бактериями организмы различаются очень сильно. В этом и кроется наше недопонимание микробов.
Потеря антибиотиками способности лечить инфекции происходит не из-за порчи самих антибиотиков. «Ядерный арсенал», который в данном случае приходит в негодность, не испаряется и не теряет химическую активность. Все дело в устойчивости, которую рано или поздно вырабатывают к любому антибиотику бактерии. «Устойчивость» здесь означает не устойчивость человека к инфекции, а устойчивость инфекции к веществу, которым ее пытаются убить.
Устойчивость к антибиотикам – это типичный дарвинизм. Сложно придумать более прямую демонстрацию эволюции в действии, работающую настолько безотказно и легко наблюдаемую в таких подробностях. Допустим, человек заразился стафилококком. У него в теле миллионы клеток этой бактерии. Ему дают антибиотик, который блокирует производство, допустим, бактериальной клеточной стенки. 99,99 % клеток стафилококка от этого погибают. Но бактерий такое количество, что часть из них по чистой случайности худо-бедно выживает.
Может оказаться, например, что у 0,01 % бактерий чуть отличается структура какого-нибудь клеточного фермента, да так удачно, что такой фермент может расщеплять антибиотик7. Это меньшинство бактерий продолжит кое-как размножаться, причем среди их потомства преимущество получат те, у которых фермент еще лучше расщепляет антибиотик. Человек чувствует себя выздоровевшим, потому что почти весь стафилококк погиб, и перестает принимать антибиотик. Но в это время выжившие стафилококки размножаются с новой силой и снова заполняют организм. Человек начинает снова принимать антибиотик, но теперь тот работает гораздо хуже, потому что весь его стафилококк состоит из потомства самых устойчивых клеток. Он эволюционировал.
Печальная в мировом смысле проблема состоит в том, что этот эволюционировавший стафилококк не просто сидит внутри своего носителя-человека, а заражает окружающих, проникает в больницы, в канализацию, в почву и постепенно замещает собой стафилококков, не обладающих устойчивостью к антибиотику. Cам факт принятия антибиотика автоматически создает отбор на устойчивость. А отбор, в свою очередь, создает эволюцию – не только в пределах организма пациента, а вообще во всем мире. Что бы мы ни кидали в бактерий, рано или поздно они наэволюционируют себе решение проблемы, и кидание потеряет смысл.
Мы, люди, ассоциируем себя с собственным организмом. Когда мы говорим «я», мы имеем в виду материальный объект, обладающий голосом, цветом волос, а также генами. Бактериям же в целом наплевать на собственные организмы. Они у них всегда максимально простые, дешевые и одноразовые. Бактерии мыслят группами, штаммами, ветвями генетического древа. Если бы они могли сказать «я», то они бы имели в виду не организмы, обладающие генами, а гены, плывущие сквозь время на сменных организмах.
На заре эпохи антибиотиков мы думали, что война с бактериями – это война с чем-то маленьким и примитивным. На самом деле это война с чем-то вечным и почти бессмертным.
Если воспринимать бактерию таким образом, то она кажется гораздо страшнее, чем толпа очень-очень простых человечков. Это аморфная, текучая масса генов, расфасованных по клеткам, которая способна решить любую проблему, что бы вы с ней ни делали. Это жидкий робот Т-1000 из «Терминатора-2», просачивающийся в любую щель. Это сказочный змей, у которого из отрубленной головы вырастают две.
Такой альтернативный способ смотреть на бактерии любопытен даже лингвистически. Русское название «бактерия» – это калька с латинского слова bacteria. Но bacteria – это множественное число, единственное число от которого – bacterium. То есть само слово «бактерия» по идее означает «много бактериумов».
Мы неправильно поняли микробов, потому что мы приняли бактерию за бактериумов. Бактерия – существо множественного числа. Мы же – существа-единицы. Этим различием мы обязаны многим своим предкам, но прежде всего первым эукариотам, жившим среди бактерий порядка 2 млрд лет назад8, примерно на полпути от происхождения жизни до нашего времени.
Раньше считалось, что существует два типа клеток: один примитивный, другой продвинутый. Первые из них – скучные пузыри без интересной формы, многоклеточности, сложного поведения и вообще каких-либо признаков того, что мы, люди, считаем показателем крутизны в живом организме. Это прокариоты. Второй тип – эукариоты – организмы с гораздо более сложными клетками, зачастую состоящие из большого их количества, как, например, в нашем случае. У эукариотических клеток, в отличие от прокариотических, есть ядро, или «карион» (κάρυον) по-древнегречески (не спрашивайте, почему ученым прошлого было мало латыни). Слово «эу» (εὖ) означает «настоящий», а приставка «про-» (πρό-) – что-то вроде «недо-». Ну, все понятно: вот настоящие, правильные клетки с ядрами, а вот всякий ширпотреб.
Когда в 1970-е гг. появились методы секвенирования, то есть «чтения» генов, эта иерархия пошатнулась.
Принципиальную роль в этом сыграл Карл Вёзе, американский микробиолог, который первым придумал использовать сравнения генов для реконструкции эволюционной истории. Секвенирование позволило сравнивать организмы не просто по принципу «похоже / непохоже» или «сложно / просто», а математически. Проанализировав различия в ДНК, можно сопоставлять время эволюционного расхождения нескольких групп. В общих чертах принцип состоит в том, что мутации в генах происходят более-менее регулярно, если усреднять промежутки времени масштабами в миллионы лет (из этого правила, правда, есть масса исключений, что сильно затрудняет жизнь эволюционным биологам). В целом чем больше у двух видов различается один и тот же генный участок, тем дольше они существуют независимо друг от друга, то есть тем древнее время их эволюционного расхождения. Если у меня где-то в геноме записано АААГА, у мыши АААГГ, а у таракана ЦЦЦГЦ, то с тараканом мы разошлись раньше, чем с мышью, потому что наши последовательности сильнее отличаются.
Если брать не три вида, а тысячи, и не пять «букв», а длинные отрезки генома, то теоретически можно подобным образом узнать, какими именно родственными связями кто с кем связан, то есть восстановить всю последовательность эволюционных событий, породивших разнообразие сегодняшних видов. Используя этот метод, Карл Вёзе первым рассчитал масштабное древо жизни, не полагаясь на видимые признаки и интуицию.
К сегодняшнему дню это древо рассчитано эволюционными биологами в мельчайших деталях, хотя хватает на нем и спорных участков. Без таких знаний о родственных связях между живыми организмами представить современную науку просто невозможно. Но даже то самое первое древо Вёзе, описывающее жизнь на Земле в самых общих чертах, коренным образом изменило наше представление о системе природы. Последовательности ДНК, которые Вёзе отсеквенировал, разделились при анализе не на две ветви – эукариот и прокариот, как можно было предположить, – а на три. Эти ветви получили название доменов, то есть групп, стоящих выше царств (вроде царства животных или царства растений) и даже надцарств (есть и такие).
КСТАТИ
Система природы Карла Линнея включала знаменитые шесть рангов: царство, класс, отряд, семейство, род, вид. Но с развитием биологии природа в эти ранги перестала влезать. К шести рангам вскоре добавился седьмой – тип, сидящий между царством и классом. Затем стали возникать промежуточные ранги, такие как «надтип», «подцарство» или «инфракласс», – это, например, сумчатые, которые больше, чем отряд опоссумов, но меньше, чем класс млекопитающих. Сегодня все эти ранги чаще называют просто «группами», поясняя, какая из групп в пределах какой находится. На самом деле какого-то определенного количества рангов в природе нет и быть не может. Каждое эволюционное изменение – это новое разветвление древа жизни. Каждый раз, когда два вида расходятся в разные стороны от общего предка, все их дальнейшее потомство можно считать двумя независимыми группами. Соответственно, на каждой развилке древа жизни можно в принципе придумывать новые группы, хотя на практике мы пользуемся только определенными, традиционными развилками. Человек – одновременно эукариот, животное, позвоночное, млекопитающее и примат, – но это всего лишь 5 рангов, тогда как при желании между каждыми двумя можно вставить еще 20. Как на карте при разном увеличении прорисовываются разные детали, так и эволюционное древо может иметь разную детализацию, а вместе с тем и разное количество рангов.