Контекст выносливости, бактериальное измерение.

Я написал песню в 2013 году под названием «Past Is Dead» (Прошлое мертво), которая рисует картину моих убеждений о войнах популяций. Название песни иронично, потому что прошлое на самом деле очень живо, но мы часто умышленно слепы к тому, что наше прошлое оказывает огромное влияние на наше настоящее. Первая строка песни “Strewn about the battlefields of life are the remainders of history,” (Остриё битвы жизни - это остатки истории) и когда я смотрю на мир, я вижу древнюю историю, которая очень жива в настоящем. Это верно как на уровне культуры, так и, как мы увидим, на генетическом и клеточном уровне в наших собственных телах. Что более важно, я признаю, что прошлое живёт в смеси как победителей, так и проигравших в истории. Мы - глобальная популяция, которая постоянно ассимилируется, и нет абсолютного разграничения между популяциями завоёванных и завоевателей.

Я считаю, что современные люди готовы признать холодную истину, что, в конечном счёте, нет победителей и нет побеждённых в жизни, и что никто в конечном счёте не является полностью добрым или неотъемлемо злым. Если мы, как интеллектуальное сообщество современных граждан мира, сможем принять эту идею, тогда люди будут сосуществовать более мирно, и мы сможем сосредоточиться на изменении того, как мы имеем дело с другими видами в интересах создания устойчивого будущего.

Когда я читаю историю войн, меня меньше интересует миф о том, кто является воспринимаемым победителем, я больше заинтересован узнать результаты долгосрочных ассимиляций. Но наша культура одержима убеждением, что победа означает полное господство вашего противника, как будто война - это своего рода соревнование с чётким призом для победителя. Если это правильно, то почему у нас сегодня победители и проигравшие существуют бок о бок друг с другом? Короче говоря, это из-за сохранения популяций и тщетности истребления.

В этой и следующих нескольких главах мы рассмотрим это упорство на каждом уровне от микро до макро, сначала посмотрим, как репликация популяций, таких как микроскопические организмы (микробы) и вирусы, работают в наших телах, как они сохраняются и реплицируются со времён происхождение биосферы, задолго до того, как наш вид эволюционировал. Нам нравится думать о себе как о самостоятельных, саморегулирующихся существах. Реальность такова, что каждый из нас частично контролируется другими микроскопическими существами.

Во-первых, генетический материал, который мы переносим, возможно, на 43 процента состоит из вирусов. Другими словами, вирусы, заразившие наших предков миллионы лет назад, были эффективно включены в наш геном. Очевидно, что на протяжении многих лет был достигнут какой-то компромисс, а виды-хозяева стали убежищем для ДНК вирусов.

Кроме того, бактерии в нашем кишечнике считались важными только в отношении переваривания и поглощения пищи; но теперь ясно, что наша бактериальная микробиота участвует в развитии нашей иммунной системы и имеет решающее значение для нашего общего благополучия.

В другой области исследователи в настоящее время изучают, как паразиты, такие как кошачий паразит Toxoplasma gondii, могут активно менять наш мозг и наше поведение. Паразит меняет поведение своего хозяина, которое скорее привлекает, а не пугает кошек. Крысы, зараженные T. gondii, проявляют признаки любопытства, возбуждения и даже сексуального влечения к запаху мочи кошки. Вирус выигрывает от такого изменения, потому что ему нужно вернуться к кошачьему хозяину, чтобы воспроизвестись, но, очевидно, этот сценарий не подходит для крыс. Люди, зараженные T. gondii, демонстрируют одинаково странные изменения личности и поведения (инфицированные мужчины проявляют больше оппозиционного неповиновения и ревности, инфицированные женщины становятся более сердечными и моралистичными), хотя, к счастью, инфекция у людей редко заканчивается тем, что хозяина вируса поедают кошки.

Тот факт, что вирусы могут переписать наш генетический код, бактерии могут повлиять на наше настроение, а паразиты могут изменить наши процессы принятия решений и уменьшить наше ингибирование, имеет интересные последствия. Одна из возможностей заключается в том, что мы можем начать рассматривать «себя» как коалицию многих групп популяций, а не одно окончательное «Я». Возможно, одним из факторов эволюционного успеха является то, насколько хорошо мы поддерживаем нашу внутреннюю среду - насколько мы заботимся о миллиардах микробов, которые обитают внутри нас и на нас. Мы все распорядители нашей собственной уникальной внутренней среды; возможно, обучение уходу за ней побудит нас заботиться и о нашей внешней среде.

Широкая публика легко путает бактерии, паразитов и вирусы (просто спросите любого врача, которого просили антибиотики для лечения гриппа), но у них мало общего за пределами их микроскопических размеров и того факта, что они ежедневно влияют на жизнь людей , Давайте сначала рассмотрим, как бактерии сосуществуют как с нами, так и внутри нас, влияя на нашу внешнюю среду, здоровье и эмоциональное благополучие.

Мой дом расположен в сельской местности в районе озёр штата Нью-Йорк. Геология под бетонным фундаментом увлекательна; в нескольких футах под нашим домом находится толстое месторождение неконсолидированных ледниковых отложений, лежащих на огромной стопе древних пластов. Эти серые и чёрные осадочные породы имеют многочисленные особенности, которые указывают на древнюю биологическую летопись в истории их образования. Кроме того, стратиграфия (ориентация и последовательность осадочных пород) в этом регионе противоречит уникальной геологии, которая показывает историческую обстановку нашей земли за последние 400 миллионов лет.

Чтение истории в скалах напоминает интерпретацию карты. Это требует хорошего воображения и острого наблюдения. Однако стратиграфическая запись горных пород - это не карта мест, а времени. Стратиграфы собирают кусочки доказательств, обнаруженных в отложениях, для восстановления геологических событий прошлого. Эта информация позволяет им медленно строить картину последовательности эволюционирующих сред, которые были заложены, слой за слоем, через геологическое время.

Стратиграфы изучают осадочные породы более двухсот лет. Одним из их наиболее значимых открытий является убедительное доказательство бактерий в 3,5-миллиардных отложениях. Это показывает нам, что бактерии были первыми живыми существами, которые процветали на нашей планете. Хотя бактериальные клетки очень трудно найти в качестве окаменелостей, химические доказательства, которые они оставили, дают нам прочную информацию о том, что они были столь же продуктивными в прошлом, как и сейчас. Бактерии были повсюду, задолго до появления «высших» организмов, таких как растения или животные.

У нас есть сенное поле и большой огород в собственности; мы проводим много времени, поддерживая произростание люцерны, помидоров и капусты. Это означает, что мы знаем нашу землю и камни, которые лежат под ней, довольно хорошо. Осадочные породы, которые образуют подстилку под моим домом, и окружающие обнажения в соседних ущельях и глинках являются серыми. Цвет важен; это даёт нам лёгкий ключ к истории скал. Чёрные и серые осадочные породы осаждались в условиях отсутствия кислорода. Нет кислорода означает отсутствие окисления; т.е. нет ржавчины. Другие осадочные породы (например, в районе Четырёх Углов на западе) являются красными; они содержат гематит, богатый железом минерал, который ржавеет, когда он подвергается воздействию кислорода. Эти красные слои реагируют так, потому что они образуются в условиях содержания кислорода в присутствии фотосинтезирующих организмов. Но независимо от их цвета, все осадочные породы содержат один и тот же базовый набор минералов. Это, в конце концов, эродированные куски гор, поймы или рифы. Большая разница заключается в том, где эти «кусочки» оказались и что было или не ожидало их, когда они добрались туда.

Скажем, наши «кусочки» оказались в мелком морском бассейне. В современных климатических условиях такие места тёплые, залитые обильным солнечным светом и привлекающие местообитания для фотосинтетических микробов. Эти микробы, в свою очередь, производят кислород, который может окислять зёрна железа, когда осадок накапливается. Наземные бассейны, например, в пустынях юго-западной части Соединённых Штатов, также производят красные слои, потому что обильный кислород в атмосфере окисляет остаточное железо в отложениях. Это также можно увидеть в тропических почвах бассейна Амазонки сегодня, а также в районах пустыни Соноран, где сезонные реки создают богатый красноватый пейзаж.

Однако глубоководные бассейны - совсем другая история. Отложения вливаются в них из крупных речных систем, которые истощают континентальные нагорья. Глубокие бассейны лишены солнечного света и поэтому менее гостеприимны для фотосинтетических микробов; это означает отсутствие кислорода - как мы видим сегодня в Чёрном море. Осадки вливаются, а мелкозернистые материалы, предназначенные для будущих сланцев и аргиллитов, остаются чёрными и серыми, когда они покоятся в самой глубокой части бассейна. Без кислорода нет ржавчины.

Есть ещё один важный компонент, который делает эти глубоководные отложения отличными от красных слоёв: биологический мусор. Мертвые фотосинтетические микробы накапливаются со временем и накапливаются в толстых слоях под тоннами осадков в глубоких бассейнах в полной темноте за пределами глубин океана, куда не может проникать солнечный свет. Фотонная зона - это только верхняя стометрия глубины воды в океане. Проникающий солнечный свет и теплота этой зоны создают среду обитания, которая изобилует водорослями и другими малыми формами жизни. Когда эти крошечные существа умирают, они медленно дрейфуют к морскому дну на тысячи метров ниже. Осадки растений с суши и прибрежной среды также смываются в океанский бассейн и начинают оседать на морском дне. Весь этот биологический детрит содержит значительное количество серы, особенно красных водорослей (27.. See Nelson and Cox (2005), Lehninger’s Principles of Biochemistry, 4th edition, p. 252.) Анаэробные бактерии, которые живут в глубоководных бассейнах, используют серу для создания энергии. Цвет чёрных сланцев происходит из пирита, богатого серой минерала, который образуется, когда бактерии активно производят сероводород. Однако этот процесс, как и большинство процессов, генерирующих энергию, создаёт побочный продукт, в данном случае газообразный сероводород. Сульфид водорода очень разрушителен для оболочек и костей. Он растворяет карбонат кальция, поэтому нередко можно встретить чёрные сланцы, лишённые окаменелых скелетных частей. Отпечатки в грязи могут присутствовать, но никаких скелетов не обнаружено в этих глубоководных бассейнах, где бактерии заняты размешиванием сероводорода.

Чёрные сланцы наиболее известны нефтяным геологам по одной простой причине: они содержат ископаемое топливо. Анаэробные бактерии, т.е экстремофилы, которые производят сероводород, потребляют некоторую часть мёртвых организмов для энергии, особенно серы. Сера поступает из клеточных стенок красных водорослей, поэтому бактерии могут устремляться к этому, оставляя липидную часть их еды несъеденной. Все клеточные мембраны сделаны из липидов, и именно эта остаточная масляная часть собирается и превращается в углеводороды, известные как кероген, который вливает на осадочные породы. Большинство запасов нефти или газа являются прямым продуктом молекулярных остатков фотосинтезирующих водорослей и бактерий, которые погибли и поселились на морском дне, а затем образовали кероген (28. Некоторые нефтяные сланцы происходят из скоплений растительных остатков, особенно из пенсильванских и карбоновых болот.) Кероген, безопасно находящийся на своём суровом бассейне, остается непереваренным и неиспользуемым другими организмами и в конечном итоге превращается в нефть и газ.

Растения и животные, спрессованные в осадочные породы под моим домом, умерли в среднем Девонском периоде 400 миллионов лет назад. Однако я, как и многие другие землевладельцы на северо-востоке Соединенных Штатов, всё ещё имею дело с прямыми последствиями этих организмов. Отсутствие скелетных окаменелостей, чёрный цвет горных пород, горизонтальная стратификация глин и скал, запах углеводородов в колодезной воде. Все эти вещи являются постоянными напоминаниями о прошлых мирах, которые существовали в этой части штата Нью-Йорк, и о тех факторах, с которыми мне пришлось столкнуться, когда строился наш дом.

Наш недавно построенный дом представляет собой картину современного удобства, полезности и разумной экологической устойчивости. Хотя он довольно велик по городским стандартам, он использует гораздо меньше энергии, чем большинство домов в два раза меньше. Это достигается за счёт использования самых современных доступных строительных материалов и стратегий отопления, которые были не очень распространены даже двадцать лет назад. Надеюсь, они станут стандартными или будут превзойдены в ближайшие двадцать лет.

Одним из ключевых элементов наших усилий в области устойчивого развития является полностью автономное водоснабжение. У нас есть колодец, который тянется от водоносного горизонта на 120 футов ниже поверхности. Используемая вода (вежливо называемая «серая вода») по существу перерабатывается, потому что она вытекает из главной канализационной трубы в резервуар, полный переваривающих бактерий, которые находятся в резервуаре для хранения в тысячу галлонов. Когда бактерии переварили все отходы из нашего дома, серая вода выливается в лабиринт труб, которые простираются на сотни футов от дома. В этом «поле выщелачивания» бытовые сточные воды возвращаются в почву, где они просачиваются, и вода в конечном итоге присоединяется к водоносному горизонту на сотни футов ниже. Мы также набираем воду с нашего сарая во время ливней и храним её под землёй в тысячегаллонных контейнерах. Все орошения наших садов, газонов и вода для мойки автомобилей поступает из наших систем сбора дождевой воды.

Однако одно предостережение о нашей воде происходит от природы осадочных пород ниже нашей собственности. Мы живём примерно в двадцати пяти футах над Марселлевым сланцем, крупным Девонским образованием, которое недавно появилось в новостях из-за биологического сокровища, заключенного в его слоях.

Марселлевый Сланец является одним из многих осадочно-породных блоков, которые складываются как слойный торт по всему штату Нью-Йорк, Пенсильвания, Западная Вирджиния и Огайо. Эти породы были депонированы около 400 миллионов лет назад. Поверхность под нашим домом состоит из аккуратных слоев, которые содержат некоторые ископаемые и много углеводородов. Он не был нарушен тектоническими силами. Всё, что было захоронено там 400 миллионов лет назад, остаётся там.

Это не всегда относится к древним отложениям. Тектонические движения могут вывести древние осадочные породы из глубины и выставить для просмотра. Некоторые из лучших примеров этого видны по дорогам Южной Калифорнии и проселочным тропам. Я потратил много времени на поездки в Лос-Анджелес или из него. Огромные сломанные плиты осадочных пород, которые выступают по бокам горных дорог, впечатляют меня сегодня, как и когда я был подростком, увидев их в первый раз. Эти породы всё ещё движутся; San Andreas Fault сжимает их со скоростью около шести сантиметров в год, хотя большинство калифорнийцев предпочитают не замечать этот взрывной потенциал, поскольку они строят свои дома и работают в этой мощной зоне разломов.

Осадочные породы и их летопись о древнем мире вокруг нас. Их можно наблюдать относительно невозмутимо в районах, где не наблюдаются сильные землетрясения или какие-либо активные тектонические движения. Хорошим примером является плато Колорадо. Плато похоже на огромный слой торта скал толщиной три тысячи футов, которые мягко поднялись без складывания, деформации или сжатия. За последние 3,5 миллиона лет (в последнее время по геологическим стандартам) массивные стоки реки Колорадо размыли свои берега и начали прорезать слои этой ненарушенной отстойной груды. В результате Гранд-Каньон, одна из самых великолепных достопримечательностей в мире природы.

С краю каньона вы можете посмотреть вниз и увидеть реку Колорадо на три тысячи футов ниже. Она всё ещё пробирается сквозь скалу, хотя теперь она дошла до «подвальных» скал, столь старых и изменённых теплом и давлением, что они больше не похожи на отложения. Однако, с вашей точки зрения на краю, вы заметите, что вы стоите на осадочной единице белого цвета, которая также видима в милях от щелевого развала каньона. Этот краевой скалистый уступ, известняк Кайбаб, похож на самый верхний кусок фанеры на стеке в хозяйственном магазине. Слои под ним можно рассматривать как листы, проложенные в прогрессивной последовательности. Отсутствие тектонической складчатости и сжимания позволило значительно выявить ненарушенные слои в каньонах, которые были разрушены рекой ниже.

Район Великих озёр - ещё одна ненарушенная витрина палеозойских отложений. Я проезжал через Висконсин в центральный Иллинойс, через Питсбург и Кливленд, и по всему северному штату Нью-Йорк много раз. Здесь царит спокойная, домашняя, более сельская атмосфера, чем в регионе Гранд-Каньон. Но скалы похожи по своей горизонтальности.

Силы, которые формируют западный ландшафт, велики и драматичны; есть внимание, касающееся тектоники гор и каньона, которые доминируют в обширных открытых перспективах американского Запада. На восток наш ландшафт более мягкий и менее экстремальный, отчасти потому, что наши самые заметные ландшафтные элементы были образованы ледниками. До двадцати двух тысяч лет назад - в эпоху плейстоцена - большая часть этого региона была покрыта слоем льда толщиной более двух тысяч футов. Зимний сезон продолжался дольше, лето не было достаточно длинным или горячим, чтобы растопить весь снегопад, и постепенно из года в год льды становились слоистыми и накапливались на горизонтально ненарушенных слоях осадочных пород ниже.

Толстый ледяной щит не застаивался. Лёд движется, как вода, только намного медленнее. Он прокладывает себе путь вниз по гравитационному градиенту - от высокогорья до низины - точно так же как поток. Ледники могут вырезать долины, однако, гораздо более широкие и более округлые по профилю, чем вода. Континентальные ледники восточных Соединённых Штатов вырезали широкие долины и глубокие ямы на сотни миль, поскольку они вышли из более холодных канадских регионов до их конца в южном штате Иллинойс и Нью-Джерси.

По мере того как климат начал нагреваться (двадцать две тысячи лет назад), скорость таяния превышала скопление снегопада, а ледяной щит начал отходить на север, вплоть до холодных арктических широт, откуда он возник. Когда ледняки отступили, они оставили огромные груды обломков по краям. Эти обломки были повсюду, образуя холмы и горизонтальные хребты по всему южному району Великих озёр и озёр штата Нью-Йорк.

Наша восточная геология может быть менее динамичной, чем её западный эквивалент - у нас есть уютные глыбы и размытые впадины, а не высокие горы и разломанные бассейны, - но она одинаково красива. Некоторые из самых драматических пейзажей на Востоке можно встретить рядом со стремительными водопадами и потоками, которые текут через ледниковые амфитеатры всего в нескольких милях от моей входной двери. Скалы вдоль Великих озёр и ущелья, которые питают озёра Фингер, например, покрыты осадочными скалами высотой в сотни футов. Края этих скал покрыты краем неконсолидированного плейстоценового осадка. Лесные деревья цепко цепляются за глубокую почву, которая окутывает ущелья и скалы. В непосредственной близости от нашей фермы драматические ущелья и водопады, которые опускаются вниз по скалам; как раз вниз по дороге, в деревне Монтор-Фоллс, водопад Ше-Ква-Га, похоже, льётся над горсткой ранних американских домов, всё ещё стоящих у подножия скалы. Зимой водопады замерзают, но вы всё ещё слышите, как вода течет под ними. Я должен напоминать посетителям, чтобы не слишком близко подходили к ледяным ручьям и рекам, чтобы они не прорвали хрупкую корку и не провалились.

В двухстах пятидесяти футах от нашего дома есть долина с бушующим ручьём у её основания. Мы удобно расположились на скалистом лугу; под верхним слоем почвы лежит около восьмидесяти футов плейстоценового гравия, оставленного после отступающего ледника, который проходил здесь примерно десять тысяч лет назад. Бурение под воду было просвещением о том, сколько осадочной породы осталось.

Когда бурильщики погрузились глубже в землю, их стальное сверло, бурящее дюйм за дюймом, отправило на поверхность крошечные кусочки сломанной скалы и обломков. Твердая порода была на глубине 78 футов. Но по-прежнему не было воды нужного объема. Они переключились на другое сверло, которое легко прорезало твёрдый камень. Алевролит, песчаник, больше аргиллита. Слой за слоем они погружались, пока, в конце концов, не достигли 120 футов, наткнувшись на «пласт» большого объема, и наш колодец был установлен.

Вода медленно поднималась, чтобы заполнить отверстие, просверленное валом дрели. Бурильщики опустили стальную трубу вертикально вниз по валу, чтобы сдержать воду, когда она булькала вверх к поверхности. Когда она выливалась на землю, она приносила с собой мелкие осадки, глину и газообразные остатки бактерий; из трубы исходил слабый запах метана.

Геологические карты Нью-Йорка показывают, что осадочные породы, в которые был пробурён наш колодец, продолжают снижаться в виде слоя. Если бы сверло было опущено на две тысячи футов, оно дошло бы до «основной жилы» местного углеводородного слоя - Марцеллского сланца.

Что делает Марцеллский сланец уникальным в нашем регионе - это кероген, который он содержит. Кероген, как уже упоминалось, образуется из разложившегося животного и растительного вещества, которое в конечном итоге накапливается в глубоководных бассейнах, которые, в свою очередь, в конечном итоге образуют чёрные сланцы. Подумайте об этом месторождении сланца в качестве огромной компостной кучи 391 миллион лет. Условия были в порядке, чтобы вызвать химическое изменение в этой разлагающейся куче водорослей и растительных остатков; изменение того, что некоторые невообразимые будущие организмы - с большими мозгами, сильными спинами и слабым предвидением - будут использовать свою собственную эволюцию. Аноксия (отсутствие кислорода) предотвратила разрушение органических останков.

В «нормальных» условиях, как здесь, на поверхности Земли или в прибрежных средах, кислород изобилует. Кислород разрушает мёртвые органические ткани, либо позволяя аэробным бактериям их потреблять, либо позволяя окислительную химическую реакцию. Оба эти процесса разрушают органический мусор (через окисление). Когда животное умирает, химическая «атака» кислорода разрушает тело. Аэробные микробы и другие животные могут помочь этому процессу. Они едят углерод и используют его для создания органических «строительных блоков» для их биологических потребностей. Кислород выделяется в качестве CO2-газа в этом процессе окислительного дыхания. Таким образом, на поверхности Земли углерод постоянно преобразуется в присутствии кислорода, что приводит к распаду всех мертвых организмов.

Недостаток кислорода является проблемой для здоровья человека, но исторические анаэробные условия оказались благом для тех людей, которые зарабатывают на жизнь добычей энергии. Марцеллский сланец был идеальной средой для создания углеводородов. Органический материал быстро зарывался, не было кислорода, а толща осадка становилась толстой. С глубиной приходит тепло. На правильной глубине и при правильном количестве тепла органические остатки могут быть «сварены» в сырую нефть. Однако в других условиях теплоты и давления кероген превращается в метановый газ. Сегодня газ по прежнему, как и в течение почти 400 миллионов лет, находится в ловушке под тысячами футов литифицированных осадков.

В этом процессе важно время; осадки быстро накапливаются, образуя Марцеллский сланец. В течение пяти миллионов лет мёртвые организмы дрейфовали в бассейн Марцелла и быстро были захоронены большим количеством осадков. Поскольку бассейн постоянно заполнялся отложениями и мёртвыми микробами, условия на дне менялись и больше не были достаточными для «приготовления» органического материала в нефть или газ. Производство газа постепенно прекращалась. В конце концов осадочная куча достигла более мелких, хорошо окисленных океанских вод. К концу среднего девона (383 млн.л.н.) бассейн был достаточно мелким, чтобы поддерживать хорошо развитый коралловый риф, который мы сегодня признаём геологическим образованием, называемым известняком Тулли.

Известняк Тулли был полностью сформированным сообществом коралловых рифов, которое грелось в здоровом сиянии девонской интертидальной фотонной зоны. Если бы мы могли вернуться в прошлое, чтобы испытать это во всей живой славе, мы едва ли могли бы признать некоторых животных, живущих на рифе. По крайней мере, они были бы узнаваемы как «ракушки на берегу моря». Однако на дне этой кучи девонских осадочных пород, это совершенно чуждый мир. Эта среда, как и глубины Чёрного моря сегодня, лишена какой-либо сети сложных «высших» организмов, только бактерии, которые могут выдержать токсические состояния.

Аноксические океанические бассейны являются очагами бактериальных анаэробных сообществ. Эти популяции живут в присутствии метана так же, как мы окружены кислородом. Некоторые выделяют метан в качестве побочного продукта, а некоторые едят метан для удовлетворения своих энергетических потребностей. Эти организмы были там во время формирования отложений Марцелла, и они всё ещё с нами сегодня, так как я и сам обнаружил это в день, когда мы включили водопроводную воду в нашем новом доме.

Когда мы вначале составили наши планы по дому, мы решили, что надёжная скважина имеет решающее значение. Однако мы получили больше, чем рассчитывали. Мы быстро поняли, что в этом регионе скважины часто имеют проблемы с метаном. Также известный как «болотный газ», он может пахнуть противно, когда вы идёте мыть лицо или налить немного воды для чайника.

Этот неловкий запах - это не вода, а метан, самый распространённый вид отходов анаэробных бактерий. Это не вина бактерий; они отлично справлялись в течение сотен миллионов лет, пока мы не пришли и не пригласили их в наш дом через совершенно новую трубопроводную систему и систему водопровода. Мы не можем обвинять их в расширении своей популяции в эту новую, широко открытую среду обитания, которую мы создали.

Гладкая внутренняя поверхность труб может быть стекловидной и мерцающей для невооруженного глаза, но для бактерий эти стенки труб имеют глубокие каньоны, кривые и пещеры. Бактерии могут легко проникать в них и формировать колонии. На языке микробиологии они называются биоплёнками, микроскопические слои мёртвых и живых бактериальных колоний, построенных одно поколение на другом (29. Помните, что бактериальное поколение может жить всего тридцать минут или меньше.) Сложенные и выгнутые, эти плёнки создают поверхности крепления для всех видов других бактерий. Когда вода застаивается, биоплёнки могут стать аноксическими из-за отсутствия циркуляции кислорода. Но когда турбулентная вода нарушает спокойствие анаэробных колоний, вводится кислород, и поток смывает их. Некоторые биоплёнки сохраняются даже при относительно постоянном потоке воды. Но в целом, чем больше воды протекает по трубам, тем ниже частота образования биоплёнки. Тем не менее, существуют тысячи и тысячи потенциальных мест обитания, которые идеально подходят для анаэробных бактерий в трубах, ведущих к вашим кранам. Эти микробиологические среды - это место, где находятся анаэробные бактерии, которые выделяют метан (30. Вот почему так много муниципалитетов разбавляют «городскую» воду хлором, химической добавкой, которая убивает анаэробные бактерии.)

У нас есть одно важное преимущество в этой популяционной войне между нами и чудовищными бактериями - и это большой поворот, прямо из «Войны миров». Элемент, от которого мы зависим, за нашу самую основную экологическую потребность, кислород, убивает наших оппонентов, второй, которым они подвергаются. Анаэробные бактерии умирают, когда они контактируют с кислородом. В нашем доме это происходит, когда они просеиваются через экран аэрации на конце крана. Таким образом, мы остаемся без угрозы со стороны их тел, только неприятные газообразные выбросы из их колонии.

Тем не менее, они не сдаются без боя. Внутренняя сантехника была элементом американской жизни в течение как минимум 150 лет, поэтому многие дома имеют давние истории заражения производителями метана. Некоторые трубы, вероятно, настолько наполнены бактериальными колониями, что они никогда не поддаются лечению обычными фильтрами всего дома. Вот почему фильтры, которые размещены под раковиной, настолько популярны - они расположены дальше по течению, так что менее вероятно, что в короткий промежуток времени от трубы к крану будет большая колония, где царит смертельный кислород.

Однако в нашем доме есть своеобразное явление, когда некоторые трубы имеют мгновенные проявления окиси метана, а некоторые кажутся чистыми. Это загадка, требующая пересмотра наших планов строительства. Однажды наш сантехнический подрядчик завершил соединение сложного лабиринта труб, который вёл к нашим трём ванным комнатам, кухне и прачечной. По его словам, пришло время подключить водопроводную «магистраль», которая шла из нашей скважины. На этом начальном этапе только одна ванная комната и прачечная имели водопровод, и дом ещё не был защищён системой фильтрации всего дома. Тем не менее, сантехник хотел проверить скважинный насос и получить немного воды.

Вода, которая, наконец, потекла через первый кран, была мутной с глиной, и из каждого крана был слабый запах метанового газа. Откуда появился этот запах? В основном было две возможности: первым может быть древний газ из девонской популяции производителей метана. Возможно, мы наткнулись на «пласт» газа, который мигрировал через трещины вверх от сланца Марцелла в наш колодец. Или это может быть биогенный источник метана, который сегодня производится живыми бактериями, намного ближе к поверхности. Эти популяции процветают везде, где есть подходящие места обитания с низким уровнем кислорода и лёгкий доступ к углероду (например, мёртвые груды листьев, животных и микробов в болотах или топях). В любом случае проблема была связана с бактериями, будь то живые или давно умершие.

Таким образом, реальный вопрос для уменьшения проблем водопровода в вашем доме заключается в следующем: смеси ли это, излучающие метановый запах из-за биогенных процессов, или это следствие попадания в ископаемый углеводородный резервуар? Если последнее, вам, возможно, придется бурить новый колодец, но вы также можете разбогатеть, если продадите углеводородный ресурс газовой компании.

Если, однако, ваша проблема связана с биогенным метаном, тогда вам нужно контролировать популяцию бактерий, чтобы решить проблему. В конце концов мы купили и установили фильтр всего дома и разместили его вверх по течению от труб в доме. К тому времени, когда мы подключили остальную часть сантехники, мы могли быть уверены, что в наш дом не попадут бактерии из-за физического барьера, обеспечиваемого фильтром для всего дома. Даже бактерии не могут проходить через фильтр с диаметром пор в микрон, ширина бактерии около 10 микрон.

Нам повезло, что инфекция была ограничена двумя кранами в нашем доме. У нас есть соседи, чьи столетние трубы полностью заражены. Вряд ли они когда-либо будут свободны от бактерий и их сопутствующего биогенного метана.

Наш домостроительный эпизод - один крошечный инцидент в эволюционно короткий момент времени. Бактерии и их близкие родственники были первыми живыми существами на нашей планете, но мы только начинаем по-настоящему понимать, как они адаптировались к нашей эволюции и как они продолжают формировать человеческую жизнь. Бактерии были обнаружены только в 1687 году голландским ученым-любителем по имени Антони ван Левенгук; его уникальное мастерство в шлифовальных объективах позволило ему построить очень ранние микроскопы. Он изучал образцы зубного налета и наблюдал «очень маленькие живые зрачки, очень красиво перемещающиеся» (31. Dobell , Clifford (1932), Antony van Leeuwenhoek and his “ Little Animals ”, Harcourt , Brace and Co ., New York .) Однако учёным потребовалось много лет, чтобы понять, что такое бактерии и как они действуют. Только в 1850 году венгерский хирург Игнац Семмельвайс заметил связь между здоровьем пациента, инфекционными заболеваниями и промыванием рук и другими основными гигиеническими практиками. До этого хирурги вымывали руки после операции, но не делали этого до того, как они работали (или между последовательными операциями). Они не понимали смысла этого.

 

За последние пятьдесят лет нам было предложено думать о бактериях как о каком-то невидимом враге, которого нужно контролировать и, желательно, искоренять ради здоровья нашей семьи. Производители чистящих средств, должно быть, сделали целое состояние на продуктах, которые обещают дезинфицировать каждую щель вашего дома, автомобиля или ребёнка. Антибактериальные гели повсеместны. Мы ведём полномасштабную войну с невидимой армией, хотя то, что ускользает от большинства гермофобов, заключается в том, что, применяя химикаты или антибиотики к популяциям микробов, мы убиваем лишь часть из них. Некоторые бактериальные индивиды обладают генетической устойчивостью к соединениям, которые мы вводим. Даже если только один из десяти тысяч микробов переживёт первый химический натиск, он может быстро воспроизвести численность популяции, чтобы заменить тех, кто пал. Новое поколение микробов будет устойчиво к химическим веществам, которые ранее использовались, потому что каждый из них родился от предка, который пережил первоначальную дозу химического оружия. Следовательно, возникает так называемый суперинфект, устойчивый ко всем видам антибиотиков или «дезинфицирующих» соединений.

 

По мере роста нашей человеческой популяции неизбежно, что мы вступаем в контакт со всё большим количеством микробных популяций. Наша историческая тенденция заключалась в том, чтобы попытаться искоренить другие популяции с убеждением, что это каким-то образом делает нас более безопасными. Однако стало ясно, что важно поддерживать баланс с бактериями, интересы которых иногда расходятся с нашими. Небольшие усилия по защите самих себя предпочтительнее поддерживать здоровый баланс между «нами» и «ими», а не пытаться искоренить все бактерии. Физические барьеры, такие как фильтры для воды, - это один из способов борьбы с неприятным населением микробов. Но современные люди обнаружили и изготовили химические барьеры. Мыло и зубная паста используют вещество, называемое поверхностно-активным веществом, для предотвращения прилипания поверхностей друг к другу; в этом случае оно нарушает притяжение между грязью или бактериями и нашей кожей или зубами. Антибиотики могут быть полезными, управляемым щитом против бактерий. Они работают, мешая росту и репликации отдельных бактерий. Сегодня фармацевтические компании производят эти вещества синтетически, но в начале двадцатого века они были обнаружены из природных источников.

 

Шотландский бактериолог Александр Флеминг был первым, кто доказал, что

гриб, называемый Penicillium notatum, продуцировал вещество, которое было токсичным для бактерий. Другие проводили подобные демонстрации перед ним - они использовали другие грибы одного и того же рода, чтобы показать, что некоторые «плесени» могут предотвратить рост бактерий. Но Флеминг формализовал лечение многих инфекций, включая сифилис, используя эти вещества, вырабатываемые грибком Penicillium. Он назвал чудодейственное вещество пенициллином в 1929 году.

 

Флеминг обнаружил антибактериальное действие пенициллина, случайно оставив грибную чашку петри слишком близко к бактериальной колонии в своей лаборатории. Однако Penicillium обычно не содержится в лабораториях. Вместо этого он живёт в лесной и полевой почве, где он образует сетчатую структуру размером в сотни микрометров. Существует практическая причина смертельной хватки Penicillium: она защищает грибы от бактериальных паразитирующих захватчиков, которые в противном случае могут конкурировать с грибами за источники пищи. Пенициллий питается секретированием химических веществ, которые разрушают углерод, обнаруженный в мёртвых и умирающих растениях и животных веществах. Затем он поглощает частично переваренный богатый углеродом бульон, смешанный с водой. В этом процессе защитная секреция пенициллина окружает колонию грибов; эта секреция действует биохимически, чтобы ослабить клеточные стенки бактерий и сделать их беспомощными против осмотического давления из окружающей воды (32. Nelson and Cox (2005), Leninger ’ s Principles of Biochemistry , p . 252.)

Антибиотики были одним из самых глубоких открытий двадцатого века. Лекарственные инфекции, такие как тонзиллит, были потенциально опасными; оставленные без лечения, они могут привести к сепсису и, возможно, смерти. Тем не менее, тонзиллит и другие бактериальные инфекции уже не являются смертельно опасными; пенициллин сделал их несмертельными. Тем не менее, мы грубо и глупо переоценили и злоупотребляли антибиотиками за последние пятьдесят лет; некоторые из бактерий, которые выживали, стали суперинфектами, все более устойчивыми к большому открытию Флеминга.

Наши отношения с антибиотикорезистентными бактериями являются примером эволюции в действии; мы не можем полностью истребить болезнетворную популяцию бактерий легче, чем устранить малярийного паразита, или уничтожить производителей метана из наших бытовых труб. Крошечное подмножество этих групп популяции, скрывающееся в неоткрытой анонимности или невосприимчивое к нашим контратакам, может легко перестроиться и повторно заразить нас. Эти «враги» живут, размножаются и продолжают существовать.

Суперинфекты могут быть ужасающими - например, плотоядная эпидемия MRSA, которая распространена в больницах, - и разрушительная Neisseria gonorrhoeae, которая больше не реагирует на какие-либо антибиотики в 30 процентах случаев; в Соединённых Штатах теперь выявляют 246 000 лекарственно-устойчивых инфекций гонореи в год. По оценкам CDC, ежегодно в Соединённых Штатах умирает 23 000 человек - от инфекций бактерий, устойчивых к антибиотикам (33. http :// www . cdc . gov / drugresistance / threat - report -2013)

Лекарственные компании знают об этой проблеме; они взяли эту войну популяций и постоянно подталкивали её к преимуществу с момента первого открытия Флеминга. Мы обнаружили другие организмы, а не только грибы, которые также имеют антибиотические вещества. Другие бактерии, вирусные частицы, синтетические молекулы и даже фагоцитарные простейшие были использованы для борьбы с инфекциями. (Фагоцит - это клетка, которая может съедать более мелкие клетки, поглощая их, процесс, известный как «фагоцитоз»).

Бактерии могут быть и политической темой. Муниципальная питьевая вода обрабатывается многими химикатами в огромных емкостях для хранения в миллионы галлонов. Эти химические вещества варьируются от города к городу. Например, Итака, Нью-Йорк, не добавляет фторид к воде, тогда как в Лос-Анджелесе он добавляется, чтобы помочь предотвратить кариес. Люди из Портленда, штат Орегон, недавно проголосовали за то, чтобы помешать городу добавлять фторид к своей воде, потому что большинство избирателей рассматривали его как химическую добавку, которая по сути загрязняла их относительно чистую питьевую воду (34. http :// www . usatoday . com / story / news / nation /2013/05/22/ portland - fluoride - water /2350329) Легко критиковать фторирование как просто заговор или социалистическую повестку дня, если вы считаете, что фторированная вода - не лучший способ улучшить здоровье зубов. Большинство избирателей в Портленде считали, что город не имеет права добавлять лекарство или какой-либо другой ингредиент в питьевую воду. Они думали, что это вопрос политической идеологии вместо общественного здравоохранения. Но фторидоподобная вакцинация была одной из великих инициатив в области общественного здравоохранения в ХХ веке. Общественное фторирование является хорошо документированным и безопасным сдерживающим фактором для бактерий рта, которые вызывают зубной кариес (35. Ферментационные кислоты Streptococcus mutans, Streptococcus sobrinus, так и некоторые лактобациллы вызывают зубной кариес.) По мере того, как люди устраивают дебаты, бактерии размножаются. В Портленде единственными «победителями» являются бактерии, обитающие во ртах самых бедных жителей города, которые не могут регулярно посещать стоматолога.

Я признаю потенциальный ущерб, который могут причинить химические вещества; однако вы должны сбалансировать возможный вред от доказанных преимуществ. Люди, как правило, имеют очень короткую память, и прошло уже сто лет с момента последней вспышки холеры в Америке. Но есть причина, по которой наши бабушки и дедушки приняли фторирование, вакцинацию и, в случае холеры, хлорирование; эти программы были очень нужны, и они спасли много, много жизней. Хлор должен быть наименее спорным химическим веществом, добавляемым в муниципальную воду. В большинстве городов вы легко чувствуете запах хлора, помещая нос рядом с потоком воды, выходящим из крана. Это не так сильно, как когда вы посещаете крытый бассейн, но хлор легко узнаваем. Обычно поездка в страну, чтобы увидеть ваших двоюродных братьев, делает вас осведомленными о том, что существует разница между городской водой, к которой вы привыкли, и тем, что идёт из колодца. Прежде всего, запаха хлора нет.

Хлор добавляется для создания враждебной среды для бактерий. Он сочетается с водой для образования кислот, которые окисляют ферменты и другие белки. Это окисление быстро убивает бактерии. К сожалению, отравление от окисления также вызывает стресс у клеток человека, особенно таких, как кожа и респираторные рецепторы, а длительное воздействие может привести к раковым заболеваниям. Хлорированные системы питьевой воды находятся в безопасной эксплуатации в течение десятилетий, уровни воздействия достаточно низки, что они не вызывают рак или другие болезни. Но если вы можете избежать этого, особенно с помощью механических фильтров, подобных тем, которые у нас есть в нашей системе водоснабжения, ваши клетки будут вам благодарны.

Понимание некоторых основных фактов о микробных популяциях и осознание их истории является ключом к решению многочисленных проблем повседневной жизни, от строительства дома до общественного здравоохранения. Но наличие этого знания, знающего источник болезни, признательность за историю организмов, которые его вызывают, и наличие инструментов, подходящих для лечения, - это не всегда путь к лечению. Вместо искоренения часто более разумно принимать присутствие других и компромисс. В конце концов, при любой конфронтации между микробами и людьми микробы будут иметь значительное примущество: численность, способность колонизировать и тот факт, что они сохраниись с момента возникновения жизни, по крайней мере 3,8 млрд.л.н.

Таким образом, следующий логический вопрос: как контролировать эти популяции? В конечном итоге мы сможем избавиться от метана в нашем доме, но я знаю, что эти организмы не исчезнут, и я не верю, что мир без них будет лучше. Бактерии являются необходимыми и важными двигателями в нашей среде и, как мы увидим, также необходимы для надлежащего «образования» и функционирования нашей иммунной системы. Даже с нашим фильтром для всего дома я признаю, что моя жизнь неразрывно связана с микробами. Их гораздо больше, чем можно себе представить.

Бактерии являются яйцевидными и относительно простыми по форме маленькими мешками. Они разнообразны в метаболизме, но они имеют тенденцию быть маленькими, порядка одного-десяти микрон в диаметре. Один микрон равен одной тысячной миллиметра. Измерение этих организмов трудно себе представить, но одно, что легко понять, - это потребность в специальном оптическом оборудовании и методах измерения, чтобы их увидеть. Бактерии по меньшей мере в десять раз меньше средней клетки кожи человека , мышц или иммунной системы. Из-за их крошечного размера они великолепно скрываются в местах, куда химические вещества не могут проникнуть, а большие клетки не могут их убить.

Для представления мира бактерий требуется немного воображения. Когда вы всего лишь шириной несколько микрон, кажущаяся гладкая поверхность - скажем, человеческий зуб - становится грубым и уродливым ландшафтом, полным глубоких трещин и зубчатых вершин. Независимо от того, насколько тщательно вы чистите зубы, в стыках между поверхностями рта, например, между зубом и окружающей его мягкой тканью, практически невозможно поддерживать чистоту. Пространства просто слишком плотные, а переходы слишком глубокие. Именно в этих местах бактерии находят идеальный дом и подвергаются росту своей популяции.

Малый размер и простой обмен веществ являются ключом к большому экологическому успеху бактерий. Но, возможно, их величайшее «достижение» это, если вы позволите антропоморфизм, их эволюционная долговечность. Проще говоря, бактерии были здесь первыми, и, вероятно, будут и последними. Эти простые колонии бактерий не сильно повлияли на наши стандарты образованности. Но они имеют решающее значение для жизни на нашей планете; они являются двигателями изменения окружающей среды. Поскольку потомки этих длинных эволюционных линий всё ещё с нами, мы можем изучить, что они делают, и представить мир, в котором они впервые появились.

Окаменелости бактерий называются под тем же названием, что и их современные потомки, цианобактерии (36.Иногда их называют сине-зелеными водорослями.) Они встречаются как яйцевидные пары клеток - всего несколько микрон или более длинные нити из многочисленных прямоугольных клеток, которые могут образовывать прямые или листовидные колонии. Они могут переносить очень высокую солёность, очень низкий кислород (они анаэробные), очень высокие температуры, и они процветают при сильном солнечном свете. Этот последний пункт раскрывает ключ к их роли в качестве ранних манипуляторов окружающей среды.

Важно понимать, как популяции микробов изменили нашу среду. Они отвечают за создание некоторых основных требований к жизни на нашей планете. Если бы бактерии перестали существовать, наши фундаментальные экологические потребности рухнули бы, и мы быстро умерли. На самом деле большинство знакомых форм жизни исчезли бы через несколько дней.

Например, атмосфера является основным источником азота для всего множества видов биосферы. От бактерий до усатых китов, от слизистой формы до сальмонеллы и от многоножек до всего человечества азот образует основу всех блоков белка для всей жизни на Земле. Все белки состоят из аминокислот, все из которых имеют азотные соединения в качестве основного компонента. Примерно 78 процентов воздуха, которым мы дышим, состоит из азота, но ни один из видов этого азота не существует в пригодной для использования форме.

Азот биологически инертен. Вот почему, например, он не реагирует с вашей легочной тканью. В отличие от кислорода, который поглощается эпителием легкого, азот просто переходит в лёгкие и выходит с каждым вдохом.

Мы строим наши соединительные ткани, мышцы, ферменты, кровь и практически все другие ткани нашего организма из белков, но мы должны получить азот для этих белков, потребляя другие белки. Итак, каков конечный источник азота?

Каждая молекула биологически жизнеспособного азота, поступающая в биосферу, происходит от химического превращения атмосферного азота, вызванного бактериями. Если бы не эти нитрифицирующие бактерии, интенсивно превращающие азот (N2) в аммиак (NH3), не было бы источника азота для основных белковых и нуклеиново-кислотных строительных блоков растений, животных, простейших, грибов или бактерий. Этот процесс бактериальной активности известен как фиксация азота, и это хорошо иллюстрирует роль бактерий как экологических двигателей. Если этот двигатель не будет работать, биосфера рухнет.

А как насчет кислорода? Кислород содержит примерно 21 процент воздуха, которым мы дышим. Без этого все животные перестанут существовать. Люди могут выдержать лишь несколько коротких минут аноксии до того, как начнётся серьёзное повреждение головного мозга, а затем быстрое отмирание всех органов и тканей. В отличие от азота, кислородный газ экстрагируется непосредственно из окружающей среды путём пропускания воздуха или воды через тонкие ткани у всех позвоночных. Рыбы используют жабры, земные позвоночные используют лёгкие. В каждом случае кислород диффундирует непосредственно через эпителиальные ткани в этих специализированных органах, и мы буквально крадём молекулы из воздуха на каждом вдохе. Нам не нужна бактериальная помощь, чтобы дышать, но нам нужны бактерии, чтобы было чем дышать в первую очередь!

Мы часто думаем о растениях как об организмах, ответственных за создание кислорода, в процессе фотосинтеза в листьях. Но на самом деле сейчас широко признано, что фотосинтетические органы растений являются эволюционными потомками свободноживущих бактерий. Поэтому весь фотосинтез имеет бактериальное происхождение. Фотосинтез - это химический процесс, который превращает углерод из CO2 в сахар и приводит к высвобождению кислорода (O2) в качестве отходов. Скальные и ископаемые записи доказывают, что бактериальный двигатель производства кислорода работает в течение миллиардов лет.

Вы когда-нибудь задумывались над тем, откуда исходит воздух, которым вы дышите, или каковы первоначальные строительные блоки в биосфере? Понятно, что легко упускать из виду тот факт, что наше выживание связано с большей сетью жизни; но только понимая и принимая роли других организмов, мы можем надеяться управлять будущим нашего вида. Популяционные войны прошлого - серия бесчисленных взаимодействий, простирающихся назад на 3,5 миллиарда лет, привели нас к этому моменту.

Возможно, в то время существовали другие типы простых клеток, но никаких следов их никогда не было найдено. Самая консервативная оценка заключается в том, что на заре биосферы Земли были только очень примитивные биологические системы. Тем не менее, немного более старые осадки обнаруживают биохимические подписи, указывающие на то, что фотосинтез присутствовал 3,8 миллиарда лет назад (37. Используя чрезвычайно сложные зонды, учёные могут измерять изотопные изменения в древних отложениях, особенно полезными для определения фотосинтеза, является углерод. Небольшие различия в соотношениях углерода-13 и углерода-12, например, показывают историю биологической активности при осаждении отложения. Фотосинтезирующие организмы предпочитают использовать более легкую форму углерода (12 ° С), что приводит к обогащению тяжелых осадков 13 ° С в отложениях. Подобные анализы изотопного соотношения (также называемые фракционистскими экспериментами) таких элементов, как сера и кислород, выявляют множество древних экологических признаков. Изотопы кислорода могут выявлять относительные количества ледникового льда против жидкой воды на планете (лёд, как правило, связывает более лёгкий изотоп кислорода, оставляя более тяжёлый изотоп доступным для растений для использования в качестве СО2, а животных - для их биологических нужд). Изотопы серы могут быть использованы для определения присутствия сульфата SO4 в раннем океане, который, как упоминается в тексте, может служить указанием на осаждение пирита и появление сероводорода. См. Knoll, Andrew H. (2003), «Жизнь на молодой планете», Издательство Принстонского университета, стр. 102.) Предположительно это было вызвано предками самых старых окаменелостей, обнаруженных около 3,5 лет. Поэтому геологи разумно уверены, что более одного типа бактериального сообщества было активным во времена самых ранних окаменелостей.

В Докембрии работали бактериальные двигатели, и с тех пор они не прекратили свою работу. Отложения обнаруживают эти бактериальные подписи в течение всего геологического времени, как видно в Марцеллском сланце. Трубы наших домов показывают, что эти микробные двигатели всё ещё работают. Мы можем попытаться остановить их фильтрационными системами, антимикробными веществами и антибиотиками. Однако бактерии настолько малы, что мы часто не понимаем, что они нас окружили. Ещё глупо то, что мы концентрируемся на их искоренении, не признав сначала того факта, что мы зависим от них для нашей собственной жизни.

Человеческое тело состоит из такого количества отдельных клеток, что он разум просто не может рассматривать такой большой размер популяции. Скажем, ради обсуждения, что десять триллионов клеток составляют единое человеческое существо (38. Это признанное число среди многих микробиологов. Lee, Y. K. (2008), Who Are We? Microbes the Puppet Masters, World Scientific, Singapore, p. 29.) Все они несут одни и те же гены, потому что они происходят из одного исходного источника, оплодотворенной яйцеклетки или зиготы. Вскоре после оплодотворения яйцеклетка делится и начинает длинный каскад событий, известных как дифференциация и деление клеток. Число клеток и типы клеток размножаются во всем этом развитии.

Различные отделы работы возникают, когда ткани дают рост органам, и эмбрион начинает материализоваться. К тому времени, когда индивидуум созревает во взрослую жизнь, большая часть его клеток достигает равновесия и прекращает разделение. Некоторые, однако, лежат в относительном покое, ожидая, что их призовут к действию в случае травмы или инфекции, и в это время они снова подвергнутся делению, чтобы увеличить численность своей популяции и восстановить повреждённую ткань. Некоторые из них всё ещё находятся в постоянном обороте на протяжении всей жизни, такие как кожа, кровь, мужские гонады и пищеварительный канал.

Десять триллионов клеток - огромное количество. Однако недавние открытия показывают, что бактерии снова превосходят нас, на этот раз на самом буквальном «домашнем поле» - наших собственных телах. Мы размещаем внутри или на поверхности нашего тела почти 100 триллионов клеток, которые несут ДНК, отличную от нашей. Все эти клетки способствуют нашему благополучию и принятию решений. Это микробы, которые сформировали уникальный симбиотический союз с нашими телами. Мы все носим целую экосистему внутри нас. И ни одна из двух экосистем не одинакова.

Что-то держит эти 100 триллионов клеток занятыми; их благополучие зависит от наших личных решений, и мы только очень медленно начинаем понимать, как наши, казалось бы, «личные» варианты формируются микроскопическими индивидуумами, которые живут внутри нас или на нас. Мы можем представить, что наши собственные клетки делают что-то, чтобы улучшить нашу жизнь, даже если мы не знаем точно, что это такое. Но очень трудно признать, что в десять раз больше отдельных клеток одновременно работают вместе с ними в микроскопическом биоме - микробиоме - чтобы сделать нас такими, какие мы есть (биома - это область с характерными видами, отличная от других регионов, из-за аспектов сообщества видов.)

Примерно 99 процентов этих клеток являются анаэробными бактериями, которые живут в кишечнике. Эти бактерии разрушают питательные вещества, которые ваши собственные клетки не могут переваривать (например, целлюлоза растительного продукта) и выделяют газ как отходы, метан. Ваш желудок и кишечник полны суровых кислот и других жидкостей, которые убивают большинство видов живых существ. Наши бактериальные партнёры в пищеварении, однако, являются потомками предков, которые были там, когда первые скалы формировались на планете, в то время, когда только чрезвычайно негостеприимные среды покрывали Землю, за миллиарды лет до появления каких-либо «высших» организмов. Конечно, они счастливы жить в суровой среде в наших кишках - они напоминают им о «доме!»

Однако не только целлюлоза разбивается в вашем кишечнике. Люди во многих отношениях уникальны среди млекопитающих, но выделяется наша способность есть так много разновидностей растений и животных. Мы должны сделать это не для наших собственных специализированных клеток в нашем кишечнике, а для микробиома, состоящего из бактерий. Существует по меньшей мере одна тысяча различных бактериальных «видов» . Каждый из них специализируется на выпуске определённых ферментов, которые разрушают различные составляющие нашего разнообразного питания (39. Виды - это понятие, которое нелегко применять к бактериям. Хотя мы условно описываем их с биномиальной номенклатурой, такой как Helicobacter pylori, микробиологи, такие как Y.K. Lee (2008), предпочитают использовать термин «штамм» для описания различных генетических вариантов бактерий.)

Гены, переносимые нашими бактериями кишечника, определяют, какие пищеварительные ферменты активируются при переваривании нашей пищи. Было подсчитано, что микробы в наших кишках несут в 150 раз больше генов, которые мы имеем во всем нашем геноме (40. See Walter, Jens and Ruth Ley (2011), The human gut microbiome: ecology and recent evolutionary changes, Annual Review of Microbiology 65, 411–29.) Это даёт нам огромный метаболический импульс и означает, что в сотни раз больше продуктов, которые мы можем переваривать из-за этого симбиоза с микробами. Мы можем позволить микробам обрабатывать химический распад пищевых продуктов, и мы можем делиться результатами. Преимущества этого симбиотического отношения огромны; наша свобода выбора пищи из многих источников делает нас очень адаптируемыми. Микробиома также очень адаптируется; это сообщество различных видов бактерий, которое может изменить свое разнообразие и изобилие в ответ на выбор пищи хозяина. Практический подъем состоит в том, что, если один источник пищи иссякнет, мы можем съесть что-то другое. Мы можем путешествовать за пределы традиционного источника пищи с относительной уверенностью, что мы найдём что-нибудь ещё, чтобы поесть (41. http :// www . scientificamerican . com / article / the - guts - microbiome - changes - diet )

Бактерии необходимы для нашего здоровья. Но мы также даём им что-то; наш кишечник - улица с двусторонним движением. Бактериальные индивиды способны приобретать гены из клеток-хозяев и друг от друга, хотя они совершенно разные виды. Это означает, что многие из бактерий, живущие внутри нас, несут некоторые из ферментных генов человека. В некотором смысле они конкурируют с нами, используя те же самые ферменты, чтобы переваривать пищу для себя, которую мы съели. Наше тело держит эти конкурентные бактерии под контролем с желчными солями и иммуноглобином, двумя веществами, выпущенными специализированными человеческими клетками в кишечнике (42. Там же., p . 413.) Но также ясно, что мы извлекаем выгоду из их побочных продуктов. Например, мы можем переваривать сахара, которые они непреднамеренно производят путем ферментации (43. Примерно 10 процентов нашего ежедневного питания поступает из продуктов ферментации бактерий в наших кишках. See Bersaglieri, T., P. Sabeti, N. Patterson, T. Vanderploeg, S. Schaffner et al. (2004), Genetic signatures of strong recent positive selection at the lactase gene, Am. J. Hum. Genetics 74, no. 6, 1111.), и мы также перевариваем постоянную подачу мёртвых бактериальных особей, которые умирают каждый час. Каждый из нас является управляющим другого в очень реальном смысле. Наши собственные клетки «необратимо зависимы» от сообщества микробов, которые живут внутри наших тел (44. Walter and Ley (2011), p . 412.)

Наши тела и, в свою очередь, то, что мы считаем «собой», - это совместные усилия, и мы имеем меньше контроля, чем нам нравится. Появляющееся поле в биологии фокусируется на «оси мозг-внутренности» (45.Cryan, John F. and Timothy G. Dinan (2012), Mind-altering microorganisms: the impact of the gut microbiota on brain and behavior, Nature Neuroscience 13, 701.) Из исследований других живых позвоночных животных, а также людей, очевидно, что гормональные сигналы в кишечнике перемещаются по сенсорным нейронам (клеткам головного мозга) в центральной нервной системе к мозгу и влияют не только на пищевое поведения (решения о том, когда и что есть), но и настроение, беспокойство, познание и боль. Многие из этих гормональных сигналов происходят из бактериальных популяций в кишечнике. Это означает, что некоторые из наших самых заветных эмоций - хорошего настроения, заботы, усиленной работы, и тому подобного не строго определяется нашим собственным чувством автономии, и поэтому это потенциально вне нашего контроля. Организмы, которые несут совершенно разные гены, мешают нашим представлениям о том, как заботиться о себе. Кроме того, было показано, что диетические изменения быстро влияют на состав симбиотических видов, которые мы переносим в наших кишках. Это означает, что у вегетарианцев, например, есть другой набор бактерий и, что не менее важно, активируется другой набор неонативных бактериальных генов, чем у тех, кто питается пищей, богатой мясом (46. David, Lawrence A., et al. (2014), Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome, Nature 505, 559.) Подумайте об этом на минуту. Если разные подгруппы людей имеют разную флору кишечника, из-за диетических ограничений, таких как вегетарианство, различия в культуре и образе жизни могут быть объяснены тем, какие бактерии они переносят.

Похоже, что мы должны видеть, что наши микробные партнёры являются продолжением нас самих . Если мы думаем о себе как об огромной группе микроскопических отдельных клеток, живущих в общей среде, то что это значит быть индивидом в первую очередь? Если мы заботимся о себе, мы должны защищать и обслуживать кишечную флору, а также наши собственные соматические клетки, хорошо их обрабатывая. Это может быть так же просто, как иногда употреблять йогурт для пищеварения или отказываться от ненужных доз антибиотиков из-за повреждения, которое они причиняют всем видам бактерий, а не только патогенного вида, но и полезных партнёров в нашем пищеварительном тракте. Это также означает, однако, осознание невидимого населения внутри нас, которое может нанести ущерб, если оно выйдет из равновесия (47. Некоторые бактерии живут в йогурте, которые мы едим (иногда называемые «пробиотики» или «живые культуры»). Эти виды входят в наши кишки, где они продолжают жить и воспроизводиться. В кишечнике они переваривают сахара из молочных продуктов (лактозы) путем секреции фермента (лактазы). Производство лактазы приносит нам пользу в пищеварении, и недавние исследования показали, что эти бактерии связаны с понижением распространённости злокачественных опухолей.)

Один классический пример - виды бактерий, называемые Helicobacter pylori. Он заражает многих, но не всех нас. При низком уровне популяции он является совершенно доброкачественным членом сообщества микробов в кишечнике. Он ест случайные продукты воспаления, которые происходят естественным образом время от времени внутри нашего живота. Обычно мы можем переносить низкие уровни воспаления - это происходит естественным образом, когда мы едим определенные продукты, которые трудно переваривать, особенно промышленные продукты массового рынка. На самом деле присутствие Helicobacter в низких количествах также способствует тем же самым воспалительным эпизодам. Однако, если воспаление выходит из-под контроля, присутствие Helicobacter уже не является доброкачественным. Этот микроб был обнаружен сравнительно недавно, чтобы быть основной причиной язв, болезненным недугом, вызывающим кровотечение и деградацию ткани желудка. И есть и хроническая составляющая. Даже воспаление низкого уровня, вызванное H. pylori, может через десять или двадцать лет превратиться в рак желудка (48. Y. K. (2008), Who Are We? Microbes the Puppet Masters, World Scientific, Singapore)

Легко понять, как это явление было вызвано эволюцией. В прошлом люди так долго не жили. Ожидаемая продолжительность жизни составляла примерно тридцать лет в римские времена. Это число увеличилось до пятидесяти лет в начале двадцатого века (50. http :// www . historytoday . com / mary - harlow / old - age - ancient - rome) Хроническое заболевание, ожидающее, скажем, двадцать лет до того, как оно начнёт развиваться, например рак желудка, никого не потревожит на протяжении всей человеческой эволюции потому что люди, возможно, имели только двадцать лет зрелости и размножения, прежде чем встретить свою раннюю смерть. В настоящее время у нас есть 50 лет зрелости (по крайней мере) и гораздо более длительное время для развития медленных, хронических заболеваний. Рак желудка увеличился, потому что люди живут дольше. Чем дольше вы живёте, тем более вероятно, что хронические заболевания, такие как те, которые вызваны популяциями с генами, отличными от ваших собственных, приведут к вашей кончине.

Однако наличие здоровой кишечной микробиоты, в том числе H. pylori, могло бы значительно улучшить здоровье на ранней стадии эволюции человека, поскольку храбрые индивиды, стремились в своих авантюрных попытках попробовать новые продукты. Те, кто несли правильное сочетание бактерий в своих кишках, избегали потенциально смертельных приступов пищевого отравления и могли переваривать более широкий набор растительных соединений. Это только сейчас, так как многие члены нашего вида увеличивают продолжительности жизни - нам приходится иметь дело с хроническими последствиями одного из этих бактериальных штаммов, растущих пропорционально, например, мы видим в язвах, вызванных H. pylori. Но лечение в старости не такое простое.

Уничтожив H. pylori полностью из кишечника, например, с помощью антибиотиков, мы можем вылечить язву. Но похоже, что в популяциях наблюдается сопутствующее увеличение кислотного рефлюкса, где заболеваемость этой бактерией является самой низкой. Со временем кислотный рефлюкс может вызывать аденокарциному, различный тип опухоли, поражающий кишечные и другие железы (51. Y. K. (2008), Who Are We? Microbes the Puppet Masters, p. 25.)

По общему мнению, мы должны видеть микробы в наших кишках как коэволюционных партнёров, а это значит, что они развивались вместе с нами на протяжении всей истории нашего вида. Они предпочитают жить внутри наших кишок, потому что это подходящая среда обитания, такая как те, в которых они изначально эволюционировали миллиарды лет назад, то есть те, которые имеют экстремальные уровни рН, вдали от смертельной активности как солнечного света, так и кислорода. Их предки, вероятно, жили в наших предках, и вся линия эволюционировала вместе. Если мы рассматриваем эти другие виды в качестве участников нашей эволюции, то ясно, что общая идея о том, что микробы должны быть уничтожены, чтобы мы могли жить антисептически, - полная глупость.

Здесь не применяется повествование об абсолютном «хорошем и плохом». Когда организмы взаимодействуют, они делают это, потому что траектория истории привела их в контакт. Нет оснований полагать, что это взаимодействие видов имеет конечных победителей или проигравших. Вместо этого мы должны сосредоточиться на восстановлении того, что было разрушено с помощью бесхозяйственности или улучшения исторических условий, чтобы сделать жизнь лучше для себя, что также означает поддержание подходящих мест обитания для наших партнёров по коэволюции.

Будь то тёмные, бескислородные ниши сантехники нашего дома, сильнокислотная полость желудка или глубоководные осадочные бассейны, полные сероводорода, бактериальные микробы процветают на сегодняшней Земле в местах обитания, которые были вокруг с самого начала. Ископаемые с 3,5 млрд. лет назад и химические подписи в древнейших осадочных породах Земли доказывают, что в то время существовали микробные сообщества. Популяционные войны начались, кажется, с самого начала планеты, как только сформировались соответствующие условия.

Трудно узнать, сколько видов составляло ранние прокариотические сообщества. (Все организмы попадают под одну из двух великих категорий: прокариоты, бактерии и археи являются одноклеточными и не имеют ядра. Эукариоты, другая категория, могут быть одноклеточными или многоклеточными, и все они имеют ядра, среди других органелл.) Но оценивается, что на сегодняшний день насчитывается около 8,6 млн. видов растений, животных, грибов и простейших, а также существует 10 миллионов свободноживущих и симбиотических видов микробов (52. Rohwer, Forest (2003), Global phage diversity, Cell 113, no. 2, 141; Mora, Camilo, et al. (2011), How many species are there on earth and in the ocean? PLoS Biol 9, no. 8; and Doolittle, W. Ford, and O. Zhaxybayeva (2009), On the origin of prokaryotic species, Genome Research 19, no. 5, 744.) Большая часть этих прокариотов делает почти то же самое, что они делали миллиарды лет, метаболически говоря. Это экологические двигатели, которые превращают молекулы своего окружения в клеточные строительные блоки. Благодаря всей своей коллективной деятельности они выделяют газы, которые изменяют атмосферу или окружающую водную среду. Эта механистическая деятельность продвигает биосферу вперёд во времени, когда мы сталкиваемся с сегодняшним днём. Каждый из нас - просто пассажир на борту этого эволюционного динамо. Но в отличие от всех видов, которые были раньше, у нас есть уникальная способность представлять будущее и управлять им в некоторой степени.

5

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: