1676 год. Антони ван Левенгук, преуспевающий голландский торговец мануфактурой, вот уже 10 лет предается одному из самых захватывающих «запойных наблюдений» в истории науки. До того он с увлечением рассматривал иллюстрации из знаменитой «Микрографии» Роберта Гука (1665), дивясь невиданным изображениям вещей, которые никто раньше не видел в таких подробностях: вот фасеточный глаз мухи, а вот – волоски на пчелином жале, вошь, вцепившаяся в человеческий волос.

Вдохновленный этими работами, Левенгук усовершенствовал способ изготовления простых переносных микроскопов с небольшими сферическими линзами. Вскоре он сам увидел то же, что видел Гук, но его более совершенные инструменты позволили ему пойти дальше. Да, он убедился, что у крупных организмов есть чрезвычайно сложно устроенные мелкие части. Но, как выяснилось, за гранью обычного человеческого зрения происходит куда больше, чем казалось. Так, в капле воды из пруда Левенгук разглядел крошечных одноклеточных существ. Он назвал их анималькулами. Увидел он и еще более мелких существ, вначале – в воде, где размалывал перец в попытке выяснить, откуда берется его жгучий вкус. Выводы, изложенные в письме, которое Левенгук в 1676 году направил в лондонское Королевское научное общество, казались странными, но сам Гук вернулся к своим микроскопам и подтвердил: так оно и есть. Когда открытия голландца опубликовали в Proceedings [«Трудах»] Общества, анималькулы Левенгука произвели настоящую сенсацию, позволив зачарованному человечеству впервые заглянуть в микромир. Так были заложены основы микробиологии.

Семь лет спустя в одном из своих писем в Королевское научное общество (ставших регулярными) Левенгук описывал, что он увидел, когда, соскоблив немного белого вещества, скопившегося у него между зубами и «густого, словно подмокшая мука», смешивал его с дождевой водой или слюной и затем рассматривал под микроскопом при большом увеличении. «К моему великому изумлению… указанная субстанция содержала чрезвычайно много мелких живых существ, которые передвигались самым необычайным образом».

Движение служило для Левенгука признаком жизни. Он предположил, что многие небольшие объекты, которых он наблюдал и которые казались ему неподвижными, – неживая материя. Теперь-то мы знаем, что это просто менее подвижные микробы. Но левенгуковское описание этого миниатюрного зоопарка все-таки можно считать настоящим открытием. Так обнаружились новые формы жизни, которые оставались невидимыми и невообразимыми на протяжении всей предыдущей истории человечества. Как выяснилось, они не просто пребывают «где-то там, в неизвестности»; они в буквальном смысле живут на нас.

Любознательный голландец без устали разглядывал живность, которую извлекал из собственного рта. Он восторженно описывал «прелестнейшие движения» анималькул, способы, какими они перемещаются, разнообразие их форм, само их невероятное изобилие. Мельчайшие существа были «подобны стайке мух или комаров, летящих и обращающихся друг вокруг друга на весьма небольшом пространстве». Их количество оказалось таким большим, что Левенгук решил: «Многие тысячи их могут содержаться в капле воды объемом не более песчинки».

Таких же обитателей он нашел во рту у двух дам (вероятно, его жены и дочери), которые, как и Левенгук, регулярно чистили зубы. В другом месте он сообщает, что, поскребя зубы «престарелого джентльмена, весьма небрежно относящегося к чистоте своих зубов», он обнаружил «невероятное число живых анималькул, плавающих куда быстрее, чем я когда-либо наблюдал прежде, и в таких количествах, что вода, их содержащая (хотя с нею смешана была лишь небольшая доля субстанции, взятой с зубов), сама казалась живой». Извещая о своем умозаключении Королевское научное общество, он снова ищет подходящее сравнение: «Количество животных, обитающих в зубном налете человека, столь велико, что превышает даже, по моему мнению, число людей, живущих в каком-нибудь королевстве».

Открытие того факта, что мы буквально кишим какой-то «другой» жизнью, стало сенсацией в целой череде других чудес, которые позволил увидеть микроскоп. Наряду с открытиями Галилея, сделанными при помощи телескопа, эти изыскания, позволившие натурфилософам заглянуть уже не только в макро-, но и в микромир, со всей очевидностью показали: наука лишь выиграет, применяя новые инструменты для того, чтобы выйти за пределы, которые кладут нашему восприятию невооруженные органы чувств. Поначалу не все признавали, что явления, скрытые от человеческого глаза, реальны в той же степени, что и те, которые спокойно проходят испытания нашим зрением, идущие под девизом «Видеть – значит верить». Однако большинство полагало, что благодаря таким методам наука действительно обретает немыслимый прежде доступ к ценнейшим знаниям о мире и о том, что в нем находится. Можно сказать, что наши собственные микробы сыграли ключевую роль в зарождении современного научного метода. Даже удивительно, что до самых недавних пор столь многое о них оставалось неизвестным.

 

Молекулярный зверинец

Через три с небольшим века после Левенгука еще один любознательный человек скреб собственные зубы в поисках жизни. Впрочем, он привлек к сему почтенному занятию своего дантиста. А звали этого естествоиспытателя Дэвид Релман, и работал он в Стэнфордском университете. Итак, вместо того чтобы выкинуть дрянь, извлеченную из трещин в деснах Релмана, доктор поместил ее в стерильные пробирки, которые Релман, истинный ученый, предусмотрительно захватил с собой.

В то время он осваивал новые генные методики обнаружения патогенных бактерий, которые сопротивлялись традиционным способам идентификации, поскольку отказывались расти в виде лабораторной культуры. Ученый задался вопросом: может быть, по той же причине многие виды остаются незамеченными и в нашей обычной микробиоте, которая представляет собой сложную смесь разных популяций микроорганизмов? Вернувшись к себе в лабораторию, он, следуя привычным микробиологическим методам, которые вскоре усовершенствовал, стал выращивать культуры из принесенной от дантиста пробы. Часть образцов он подверг новейшим на тот момент процедурам ДНК-анализа, ища небольшие фрагменты генетической последовательности, характерные для бактерий, и сравнивая найденные фрагменты с известными последовательностями из существующих баз данных.

Казалось бы, что нового можно было обнаружить в пространстве между зубами и деснами (в поддесневых карманах)? За много лет ученые, методично культивирующие микроорганизмы, уже описали почти 500 видов бактерий, извлеченных из этого густонаселенного региона ротовой полости.

Однако, изучая образец, взятый с двух зубов из одного рта, группа Релмана выявила 31 новый штамм бактерий. Еще 6 штаммов обнаружилось на пластинках с выращиваемой культурой, а значит, удалось найти 37 новых разновидностей бактерий (в общей же сложности после анализа всех образцов выявили аж 77).

В 1999 году Релман с коллегами опубликовали статью в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, где приличествующим этому изданию сухим научным языком сообщали: «Наши данные заставляют предположить, что значительная часть нормальной бактериальной флоры человека остается плохо охарактеризованной даже в этой хорошо изученной и хорошо знакомой специалисту микробной среде». Позже Релман заявил в интервью San Francisco Chronicle: «При помощи молекулярных методов мы нашли куда больше, чем посредством культивации. А значит, ученые в течение века с лишним невольно игнорировали огромную долю микробного мира. Недавние открытия учат нас смирению. До сих пор мы, так сказать, играли всего лишь половиной колоды».

Осознание этого факта побудило многочисленных ученых обратиться к применению новых технологий секвенирования ДНК для анализа микробных образцов, взятых из всевозможных мест человеческого тела, куда только можно забраться, чтобы наскрести, наскоблить, намести или намыть пробу. Результаты этих усилий перевернули наши представления о человеческом микробиоме и о том, как человек сосуществует с мириадами других видов.

Но прежде чем пристальнее взглянуть на результаты этих более глубоких, чем прежде, исследований незримого мира и рассмотреть терзающий сегодняшних ученых вопрос о том, что всё это означает, давайте сделаем шаг назад. Ибо за 3 века, разделяющих Левенгука и Релмана, этих двух отважных исследователей зубов, человечество еще кое-что узнало о микробах.

 

Хорошие парни и плохие парни

В эпоху Просвещения анималькулы Левенгука поразили общество, но казались по сути лишь безвредной новинкой. Тогда же несложные эксперименты с блеском продемонстрировали, что новомодный (для XVII века) напиток кофе или небольшое количество уксуса уничтожают живых существ в поле зрения микроскопа. Кроме того, современникам представлялась фантастической сама идея о том, что столь ничтожные существа могут оказывать сколько-нибудь существенное влияние на большой организм, служащий для них пристанищем.

Теперь-то мы знаем, что дело обстоит иначе. Самые значительные перемены в наших познаниях о микромире произошли в XIX веке. Микробная теория заболеваний возникла, когда на помощь исследователям инфекций пришла новая наука микробиология. Долгое время считалось, что заражение, возникающие при тесном контакте с больным, и обуславливает распространение некоторых болезней. Но заражение чем? Становилось всё очевиднее, что главный контакт здесь происходит с микробами, а значит, можно с уверенностью предполагать, что микроскопическая жизнь оказывает громадное влияние на куда более крупные организмы и что именно микробы – главная причина некоторых смертельных недугов. Благодаря этому стало возможным принципиально новое объяснение того, как эти недуги возникают и развиваются.

Кроме того, эти открытия оказали большое влияние на отношение людей к микроорганизмам. Здесь можно выделить два эффекта – научный и культурный. Оба в значительной мере проявляются и поныне.

С научной точки зрения микробная теория заложила основу для размышлений о причинно-следственных связях в этой важной, запутанной области биологии – основу «микробной» логики. Она до сих пор во многом определяет наше понимание причин болезней, хотя, как показывают недавние исследования, применима не всегда.

Тогда, в XIX столетии, загадочные организмы, обнаруживаемые под микроскопом, извлекались главным образом из среды вне человека. Внутри же они обнаруживались учеными в основном при изучении заболеваний. Но вызывались ли симптомы недуга этими крошечными созданиями, извлекаемыми из пациентов или больных животных (а иногда, возможно, сохраняемыми в виде лабораторных культур)? Многие имели основания усомниться в новой теории. Ее критиковали немало скептиков. Чтобы убедить их в справедливости теории, требовалось множество экспериментальных подтверждений, а кроме того, четкие правила построения умозаключений. Только так можно построить доказательную теорию.

Микробная теория сформулировала эти правила. Упрощая картину, можно сказать, что теория приняла форму принципа «Один микроб – одна болезнь» (ОМОБ) (позже из этого выросло правило «Один ген – одна болезнь», но это уже другая история).

Если гипотеза ОМОБ верна, то как доказать, что выявлен действительно организм-виновник? Ведь вокруг столько микробов… В основе соответствующих правил лежит общий подход к научным экспериментам, который мы сейчас принимаем как нечто само собой разумеющееся. Впервые его формально описал в XIX веке философ Джон Стюарт Милль, назвавший его методом сходства и различия. Этот рецепт идеального эксперимента мы проходим в школе. Определите все условия в контролируемой среде. Варьируйте их по одному и посмотрите, что будет происходить. Если переменная X вызывает изменение результата Y, значит, X и Y как-то связаны друг с другом. Простой пример – выяснение того, почему на вечеринке некоторые отравились: следует установить, кто ел и кто не ел какие-то блюда.

Многое поведал о микробах жаждущему человечеству выдающийся немецкий бактериолог Роберт Кох. В начале 1880-х годов он и его великий соперник француз Луи Пастер установили связь некоторых заболеваний (главным образом, у животных) и определенных инфекционных агентов. Коху хотелось сделать обобщающие выводы и посрамить сомневающихся. Наряду с невероятно энергичной работой в лаборатории и методическими усовершенствованиями (так, он стал первым, кто использовал для выращивания колоний микробиологические пластинки, а не сосуды с субстратом) он прославился тем, что сформулировал так называемые «постулаты Коха». Их всего 4. По сути это своеобразные инструкции, помогающие доказать, что данный микроб действительно вызывает определенное заболевание. Следуйте им и можете быть уверены, что вы получите ответ и убедите всех остальных.

Итак:

1. Найдите данный микроорганизм у всех (животных и/или людей), кто страдает соответствующим заболеванием. Убедитесь, что его не удается обнаружить у здоровых существ.

2. Выделите микроорганизм из зараженного организма и затем вырастите этот возбудитель заболевания в лаборатории.

3. Заразите этим выращенным микробом здоровое существо.

4. Снова выделите микроб уже из этого зараженного существа и покажите, что он такой же, с какого вы начинали.

Никакая из этих процедур в те времена не была простой даже в опытах с подопытными животными, не говоря уж о пациентах-людях (особенно большие затруднения вызывала стадия 2). Однако по мере усовершенствования методов эти 4 постулата доказали свою полезность, поспособствовав прогрессу науки и заслужив благодарность миллионов. Испытательным полигоном для постулатов Коха стал страшный бич человечества – туберкулез. В последующий десяток лет их проверили на примере холеры, тифа, столбняка и чумы.

Эта логика остается незыблемой, если в заболевание вовлечен микроб, и лишь микроб. Многие более поздние случаи (и целый ряд классических, вроде того же туберкулеза) оказываются куда более сложными. Однако правила Коха часто приводятся как своего рода золотой стандарт для выяснения звеньев причинно-следственных цепочек, описывающих воздействие различных микроорганизмов на человека.

Мощь коховской логики усилила культурное воздействие микробной теории. Новое поколение микробиологов XIX века, облаченных в белые халаты, добилось впечатляющих успехов на медицинском поприще, а также показало благотворную роль микробов. Так, Пастер интересовался не только инфекциями, но и процессами ферментации. Однако гром фанфар, сопровождавший демонстрацию того, что микробы могут вызывать болезни, как-то заглушал новости о микроскопических «хороших парнях», делающих сыр или вино. В общественном сознании укоренилось представление о том, что микробы – зло (ну не считая немногочисленные почетные исключения).

 

Не трогать – грязно!

Банка персикового компота открывается так. Удалите бумажную этикетку, затем тщательно поскребите банку, чтобы устранить все следы бумаги и грязи. Открыв крышку, перелейте компот в чашку. Банка НЕ ДОЛЖНА касаться чашки.

Так инструктировали персонал кухни Говарда Хьюза, пионера авиации 1920-х, кинопродюсера, миллиардера-отшельника, долгое время страдавшего обсессивно-компульсивным расстройством. Кроме того, персоналу предписывалось мыть руки, пока те не начнут зудеть, и обертывать их бумажными полотенцами при подавании блюд Хьюзу. Существовали подробные инструкции на предмет того, как открывать упаковку бумажных полотенец.

Губительный психический недуг Хьюза – крайний случай вполне распространенной боязни. Этот баснословный богач перенес ряд черепно-мозговых травм в ходе нескольких авиакатастроф, а в юности заразился сифилисом. Но еще до всех этих приключений в нем укоренился постоянный страх перед микробами. Позже у него развилась настоящая болезненная фиксация на опасностях, которые бактерии могут в себе заключать. И он был такой не один.

Причины этого понятны. Микробная теория заболеваний появилась как раз в ту эпоху, когда жители больших городов очень страдали от инфекций, распространявшихся из-за скученности населения и общей антисанитарии мест человеческого обитания. Теория имела колоссальный успех. Когда Кох, Пастер и другие показали, что причиной самых страшных болезней являются крошечные организмы, микробную теорию приняли множество ученых. Ее приняли и люди, далекие от науки, поскольку теория эта оказалась легкой для понимания и поскольку (благодаря вакцинации и постройке нормальной канализационной системы) она проложила путь к предотвращению и лечению самых разных недугов. Некоторые опаснейшие болезни даже удалось победить, полностью подавив их распространение. Микробная теория остается краеугольным камнем здравоохранения – отрасли, которая тогда же и возникла.

Короче говоря, появление этой теории ознаменовалось научным и медицинским триумфом, и ученые, которые ввели ее в оборот, почитались, как герои. Классическая научно-популярная книга Поля де Крюи «Охотники за микробами», вышедшая в 1920-х годах, принадлежит перу автора, который провел некоторое время в нью-йоркском Рокфеллеровском институте медицинских исследований. Пионеры бактериологии изображены здесь как раз в таком свете. В подобном же тоне рассказывалось о бактериологах в бесчисленных газетных статьях того времени и в беллетризованных биографиях, выходивших позже.

Они стали героями, поскольку вели войну против болезней, то есть против микробов, и победили. Торжество науки закрепило в общественном сознании прочную ассоциативную связь между микробами, грязью и болезнями. К тому же практическое применение антисептиков, дезинфектантов и антибактериальных средств весьма впечатляло.

Избегать микробов – значит не только сторониться очевидных источников «неприятного» (понятно, что не следует размазывать экскременты по стенам туалета или есть тухлое мясо). Нужно уметь справляться и с невидимыми опасностями.

Этот набор взаимосвязанных идей оказался чрезвычайно перспективным и влиятельным. Итак, микробы вызывают болезни, берутся из грязи и могут распространяться путем загрязнения (заражения), которое вы даже не замечаете. Что ж, в общем-то это правда. Некоторые микробы действительно служат причиной недугов. Микробы нельзя увидеть невооруженным глазом. Строгие меры профилактики помогают избежать беды. И при посещении больницы нужно использовать дезинфектор для рук.

Кроме того, эту теорию очень широко пропагандируют и службы здравоохранения, и производители антимикробных товаров. И те и другие постоянно выискивают всё новые объекты для дезинфекции: туалеты, ванные комнаты, кухни, бутылочки с детским питанием, продуктовые упаковки, телефоны, компьютерные клавиатуры. К числу таких объектов, конечно, принадлежат и сами люди.

Ход этой непрекращающейся кампании изложен в книге историка Нэнси Томс «Микробное евангелие» (Nancy Tomes, The Gospel of Germs, 1998). В США первыми встрепенулись защитники общественного здоровья, – они кинулись требовать, чтобы все (особенно домохозяйки и матери) соблюдали новые стандарты чистоты и гигиены. Позже медицинские эксперты уже меньше подчеркивали значимость чистоты как таковой: главным считалось избегать контакта с инфекцией и препятствовать тому, чтобы инфицированные передавали возбудитель заболевания другим. А там уж за дело взялась промышленность.

Война с микробами считалась всеобщей обязанностью, однако на передовой по-прежнему сражались женщины. Американская реклама лизола, выпущенная в 1941 году, показывает это со всей очевидностью. Изящно соединяя домашние и патриотические обязанности, она изображает улыбающуюся домохозяйку, вскинувшую руку в воинском салюте. «Вы тоже служите в армии, – гласит надпись. – Записывайтесь в ряды бойцов с микробами… Женщина со шваброй, ведром воды и бутылкой лизола может разгромить целую армию бактерий, которые вызывают инфекцию… Лизол – оружие хозяйки, защита вашего дома».

Дезинфицирующие жидкости, аэрозоли и мази по-прежнему производятся в огромных количествах, достаточно заглянуть в соответствующий отдел супермаркета. Дезинфицирующий аэрозоль «Лизол» выпускается ныне с десятью разными ароматами, но его реклама по-прежнему упирает на то, что это средство позволит «защитить семью от микробов, которые каждый день контактируют с вами». Защитить, убивая их.

Пожалуй, многие из нас, жителей западных стран, в последнее время стали куда небрежнее относиться к применению таких средств у себя дома (за исключением разве что туалета). Во всяком случае, со мной произошло именно так. Однако мы по-прежнему воротим нос от публичных мест, которые кажутся нам явно негигиеничными. А чуть только начинаем опасаться нового (или снова вспыхнувшего) заболевания, как к нам возвращаются подзабытые идеи насчет заражения и загрязнения.

Томс заканчивает экскурс в историю, вспоминая о реакции на одно из первых проявлений эпидемии СПИДа еще в 1984 году. Тринадцатилетний мальчик, страдавший гемофилией, заразился ВИЧ после регулярных переливаний крови. Когда новость о диагнозе распространилась в городке Кокомо (штат Индиана), где он жил, с ним перестали здороваться за руку; более того, жители города предпочитали не посещать туалет, которым он пользовался, и даже распространяли слухи, будто он нарочно плюет на овощи в лавках. Мальчика и его семью заставляли сидеть в церкви на дальней скамье, «вне досягаемости кашля». После того как мальчик решил вернуться в школу, кто-то выстрелил в окно их гостиной, и тогда семье пришлось уехать из города. Даже в наше время страх заразиться может превратить законопослушных граждан в сущих линчевателей.

 

Микробы в лаборатории

Общество стремилось держаться от микробов подальше, однако в то же самое время ученые все пристальнее исследовали микробную жизнь. На протяжении последующего столетия исследователи, охотно знакомящиеся с микробами вблизи, узнали огромное количество сведений о разновидностях микроскопических существ и отыскали новые способы их изучения.

Здесь уже оказалось недостаточно микроскопа, этого простейшего инструмента для наблюдений. Понадобилось разработать новые методы препарирования и окрашивания клеток (чтобы подчеркнуть их детали), научиться выращивать культуры микробов для долговременных исследований, проникнуть в их химию и в конце концов – в их гены.

После Левенгука микробиология сначала развивалась неспешно, а с середины XIX века – все интенсивнее и плодотворнее. Появлялись новые методики и технологии, значительно более тонкие и изощренные, чем прежде. Каталог микробов невероятно разросся. Все больше их видов обнаруживается в новых местах – от горячих источников до холодных океанских глубин.

Эти неутомимые исследования касаются и микробов, которые живут вместе с нами. Не раз предполагалось: поскольку это наши постоянные компаньоны и они так многочисленны, подавляющее их большинство не причиняет нам вреда, а может быть, даже приносит пользу. (Собственно, Пастер предположил это еще в 1885 году, но современники его не услышали.)

Такая точка зрения снова появилась много лет спустя, еще до наступления эры ДНК-анализа. В 1960-е годы ее высказал в провидческой книге Теодор Розбери, признанный авторитет в области исследований микроорганизмов человека. Написав по данному вопросу учебник, он в 1969 году выпустил наделавшую много шума научно-популярную книгу «Жизнь на человеке» (Theodor Rosebury, Life on Man, 1969). Сейчас ее тоже очень интересно читать – отчасти благодаря тем знаниям, которые мы успели приобрести за прошедшие десятилетия. Книга дает сжатое описание состояния области науки, которую Розбери знал как никто другой. Он описывает некоторые виды микробов и их распространение, однако почти не погружается в детали микробиома (особенно кишечного). Он рассматривает основную массу бактерий просто как безвредных пассажиров, учитывая кое-какие побочные выгоды, которые они нам приносят (например, затрудняют проникновение в наше тело организмов-колонизаторов, способных вызывать заболевания). Автор приводит и другие гипотезы (например, о возможном влиянии микробов на развитие кишечника), но лишь как вопросы, заслуживающие дальнейшего рассмотрения. Его краткое изложение важнейших фактов, которые следует знать о реальной «жизни на человеке», занимает всего-навсего 24 страницы, а остальные страницы посвящены увлекательному обсуждению антропологии отвращения (автор явно подходит к проблеме со знанием дела). С тех пор прошло не так уж много времени, но микробиология успела многое узнать о бесчисленных видах мелких существ, кишащих в нашем мире.

Так каково это – разделять жизнь с целой армией микроорганизмов? Для начала давайте посмотрим, как они живут. И пока основное внимание уделим бактериям.