Революция Карла Вёзе

 

Посмотрите на эту картинку. Знаете, что это? Это – т.н. «Дерево жизни», каким его видит наука на конец 2015 года. Создатели этого дерева - ученые Калифорнийского университета во главе с Джилиан Бэнфилд - собрали данные о ДНК 2072-х известных и 1011-ти новых видов простейших организмов, т.н. «архей», обнаруженных в последние годы в наиболее экстремальных экологических нишах, добавили к этим данным генетические сведения о 30-ти с лишним тысячах других организмов и с помощью суперкомпьютера выявили их генетическое родство. Опираясь на полученные результаты, они создали новую картину видов, родов и семейств в современном живом мире.

Эта картина демонстрирует весьма непривычные связи. Животные оказываются близкими родственниками грибов – обе группы принадлежат к суперсемейству Опистоконтов. Вредитель картофеля Фитофтора – вовсе не грибок, как раньше считалось, а родственник гигантской водоросли-ламинарии из суперсемейства Археопластидов. И так далее. А если вы хотите узнать, где находимся мы, люди, то приглядитесь еще раз внимательно к картинке – наше место помечено на ней маленькой красной стрелочкой внизу слева. Мы - Билатерия, группа, зажатая между Пориферой (губками) и Стеноферойа (амебами), в том же суперсемействе Опистоконтов.

Мы не привыкли к таким картинкам. Нам трудно вообще назвать этот бублик «деревом», тем более, «Деревом жизни». «Дерево жизни», каким нам его рисовали в школе, было похоже на настоящие деревья: у него был ствол, который, начиная с какой-то высоты (с какого-то момента эволюции) разветвлялся на несколько толстых ветвей, те затем ветвились все дальше и дальше, и где-то на самом верху находились мы, их величество Гомо сапиенс, самое сложное живое существо на Земле, вершина эволюции. Вся эта картина подъема и ветвления жизни основывалась на степени «сложности» организмов, определяемой путем сравнения их анатомии, устройства нервной системы и некоторых других признаков. Так это повелось со времен Дарвина.

Вообще-то деревья жизни рисовали и до Дарвина, потому что попытками биологической таксономии (т.е. группировки и классификации родственных живых организмов) первым занялся - еще в 1735 году - шведский ботаник Карл Линней. Этот Карл, недолго думая, разделил всю природу на три «царства»: камни, растения и животные. Последующие классификаторы отставили «камни» в сторонку и занялись чисто живой природой. Первое нечто, похожее на дерево, точнее – на два дерева: для животных и растений, - нарисовал Ламарк; эти стволы у него поднимались от червей и водорослей до нынешних животных и растений, но поднимались не в силу происхождения одного от другого, а только по степени сложности, какой ее представляли себе тогда биологи. За Ламарком последовали все более и более сложные «деревья жизни» - Хичкока (1840), Чамберса (1844) и Бонна (1858), - на которых уже появились веточки, представлявшие происхождение одних видов из других. Но только Дарвин в своей книге «Происхождение видов» (1859) впервые дал, наконец, всем этим картинкам толкование как «Дерева Эволюции»:

«Сродство всех организмов одного класса, - писал он в 4-й главе своей книги, - иногда представляют в виде большого дерева. Я думаю, что это отражает истину. Зеленые пробивающиеся отростки представляют собой существующие виды, а те веточки, что рождались во все предшествующие годы, соответствуют длинной цепи вымерших видов».

С тех пор прошло свыше 150-ти лет, и на помощь сравнительной анатомии пришла могучая наука сравнительная геномика. Это она позволила нарисовать тот бублик, который мы выше назвали «современным деревом жизни». Теперь виды сравниваются по генам, а возраст генов определяется по числу видов, их имеющих (чем больше видов имеют данный ген, тем, значит, раньше он возник), а также по числу мутаций в них. Впрочем, на самом деле это не так просто, как я сказал, потому что гены иногда возникают, иногда «сплавляются» воедино из разных других, а кроме того зачастую объединяются в родственные группы и порой превращаются в т.н. «псевдогены». Но ученые уже научились разгадывать эти хитрости природы. Главная трудность при построении современного дерева жизни оказалась в другом. Вот как ее охарактеризовал один из крупнейших в мире специалистов по сравнительной геномике американский ученый Евгений Кунин:

«[Сегодня] приверженность эволюционной биологии дереву жизни как единому, окончательному представлению об истории форм жизни на Земле уступает место плюралистической картине, в которой разнообразные сетевые процессы дополняют древовидные процессы генной эволюции. <...> В первом приближении можно сказать, что в наших представлениях об истории жизни “дерево жизни” уступило место “паутине жизни”».

Этому поистине революционному переходу от одной картины эволюции к другой современная биология обязана одному человеку - американскому биологу Карлу Вёзе. Некоторые называют его «биологическим Эйнштейном». Интересно, однако, что начинал он не с биологии – университет Вёзе окончил по физическому отделению. Лишь несколько позже, уже в аспирантуре, он специализировался по биофизике. Свою диссертацию он защитил в 1953 году, а начал работать как микробиолог в Иллинойском университете в 1960-е годы, вскоре после того, как Уотсон и Крик получили Нобелевскую премию за открытие двуспиральной структуры молекулы ДНК. Познакомившись с этими работами, Вёзе пришел к выводу, что именно анализ генов этой ДНК сможет объяснить скрытые родственные связи между организмами разных видов. Он писал Крику: «Это может быть сделано путем поиска исходных структур для генов множества различных организмов. Выявление той структуры, которую имели гены древнейшего предка этих организмов, позволит затем выявить ход их эволюции».

Вёзе рассуждал так: если все организмы произошли от какого-то общего предка, то у всех у них должен сохраниться какой-то ген (или несколько генов), которые были присущи этому их общему предку. Конечно, за прошедшее время структура этого гена не раз менялась за счет мутаций, причем у разных организмов по-разному, и потому сегодня этот ген у разных видов будет слегка различным, но если найти ген, который меняется (мутирует) достаточно медленно, то даже за миллиарды лет таких различий успеет накопиться не так уж много, чтобы мы не смогли угадать общее за индивидуальными видовыми оттенками.

Трудность состояла в нахождении такого гена, и Вёзе ее блестяще преодолел. Он решил изучать ген, который производит одну из составных частей т.н. рибосомы. Многочисленные клеточные рибосомы – это тот конвейер, на котором клетки производят нужные им белки, и поскольку белки нужны всем организмам, рибосомы есть у всех, вплоть до мельчайших (кроме вирусов, которые сами белки не строят). Каждая рибосома содержит несколько видов молекул РНК разной длины. Самая короткая – 5S рРНК - имеет всего 120 звеньев, поэтому ее могли радикально изменить даже те немногие мутации, которые произошли в ней за время эволюции земной жизни. Самая длинная - 23S рРНК содержит 2300 звеньев, поэтому изучать ее состав в клетках разных организмов теми методами, которые существовали в 1960-70-е гг., было затруднительно.

Поэтому Вёзе остановился на молекуле 16S рРНК для клеток –эукариот и аналогичной ей 18S рРНК – для клеток-прокариот. Оказалось, что этот выбор был весьма удачен еще и потому, что молекула 16S имеет две части – очень-очень медленно меняющуюся (так медленно, что у современных людей она все еще наполовину идентична той, что у бактерий), и меняющуюся много быстрее (что позволяло более подробно проследить расхождение видов в последние миллионы лет).

Каждую такую 16S, полученную из клеток того или иного организма, нужно было секвенировать (т.н. найти последовательность ее звеньев), и это был тяжелейший труд; достаточно сказать, что полная расшифровка одной такой молекулы занимала месяцы. Я не буду вдаваться в технические детали и перейду к главному. Главное произошло в 1976 году, когда Вёзе и его помощник Фокс перешли к изучению рРНК у особой формы прокариотов – т.н. метаногенов. Эти одноклеточные анаэробны, кислород для них токсичен и поэтому при разложении пищи они пользуются метаном. Если учесть, что кислород появился на Земле много позже метана, то можно заключить, что нынешние метаногены – потомки очень-очень древних организмов. Изучая мутаногены, Вёзе и Фокс обнаружили, что их рРНК резко отлична от рРНК всех бактерий, зато загадочно близка к рРНК у эукариотов. Эти анаэробы к тому же не имели в клеточной оболочке некого белка, которые имеют все бактерии. Двигаясь дальше, Вёзе и Фокс впервые в науке обнаружили и другие прокариоты с такими же особенностями: галофилы, живущие в солёных средах, термоплазмы, предпочитающие высокую температуру, и сульфолобусы, которым по душе повышенное содержание серы.

Все эти виды объединяла не только одинаковая структура гена 18S рРНК, но и одинаковый способ переработки пищи и одинаковый белково-жировой состав клеточной мембраны (отличный от бактериального, но близкий к эукариотному), а также, как видим, способность жить в экстремальных физико-химических условиях.

Дальнейший анализ привел Вёзе к выводу, что эти прокариоты-археи (как он их назвал) представляют собой ранее неизвестную форму жизни, характерную, судя по экстремальным условиям их жизни, для древнейших этапов эволюции. Это означало, что последний общий предок нынешних организмов дал начало не бактериям и простейшим эукариотам, как ранее считалось, а двум ветвям прокариотов – бактериям и археям. Лишь много позже одна из комбинаций каких-то двух архей или какой-то археи с какой-то бактерией стала первой эукариотой, которая дала начало т.н. протистам, этим простейшим эукариотным видам.

Таким образом, «дерево жизни», по Вёзе, обрело иной вид, чем у Дарвина и его продолжателей. Теперь оно выглядело, грубо говоря, так

Размышления над особенностями этого «странного нового мира» архей и бактерий привели Вёзе к еще более революционной идее. Он выдвинул предположение, что эволюция геномов, которая у животных и растений происходит с помощью полового размножения, на ранних этапах, у бактерий и архей (а, может быть, и еще до них), происходила, в основном, путем простой передачи генов от любого прокариота к любому другому. Это принципиально меняет всю метафору «дерева жизни». Действительно, при половом размножении каждый новый вид происходит как бы «из предыдущего», является продолжением некой «веточки» (вспомним слова Дарвина). Но когда организмы могут просто обмениваться генами, их родственные связи образуют густую сетку горизонтальных линий («паутина» Кунина), в которой нельзя сказать, кто был раньше, а кто позже. Если горизонтальный перенос генов является доминирующим способом эволюции на ее первом этапе, то никакого «дерева» построить нельзя. Зато это дает организмам неизмеримо большее генетическое разнообразие, и поэтому, заключил Вёзе, прокариотов должно быть неизмеримо больше, чем эукариотов (особенно многоклеточных эукариотов, размножающихся только половым путем). Как сказал по этому поводу один из биологов, «благодаря Вёзе, мы теперь понимаем, что не многоклеточные, а микробы составляют основное население дерева жизни, а все растения и животные –всего лишь одна боковая веточка этого дерева».

Революционные взгляды Вёзе встретили яростное сопротивление многих биологов. И все-таки они восторжествовали, поскольку были подтверждены результатами последующих исследований архей и бактерий. Их подтвердили также многократные экспедиции, в ходе которых в глубинах океанов были найдены обломки ДНК тысяч ранее неизвестных науке прокариотов. И, наконец, они были блестяще подтверждены новейшими генетическими исследованиями, завершившимися «эпохальной», по мнению многих специалистов, работой группы Бэнфилд, с которой мы начали этот рассказ, и которая наглядно показала то, о чем говорил Вёзе: родственность архей и эукариотов и огромное преобладание архей и бактерий над многоклеточными эукариотами.

Рафаил Нудельман

https://tinyurl.com/3zsxdrcm

Как человечество изменило свою судьбу

 

От охотников-собирателей к аграрной революции

Наши далекие предки жили в полной зависимости от природы, собирая съедобные растения и охотясь на диких животных. Они использовали только те материалы, которые могли найти вокруг себя: дерево, камень, шкуры животных. Огонь позволял немного обрабатывать эти материалы, но о фундаментальном преобразовании речи не шло.

Кочевой образ жизни вынуждал ограничивать имущество тем, что можно унести с собой. До появления одомашненных животных около 10 000 лет назад, единственным источником энергии были собственные мышцы. Выбор места жительства определялся наличием пищи – когда ресурсы истощались, племя двигалось дальше. 

Разделение труда было минимальным: охота, собирательство, изготовление простейших орудий. Социальные контакты ограничивались родным племенем. При изменении климата или других условий окружающей среды, люди могли только реагировать, но не предвидеть или контролировать эти изменения. Не было никаких способов профилактики болезней, даже элементарной гигиены вроде мытья рук. 

Люди того времени были не менее умны и храбры, чем мы с вами. Они прилагали все усилия, чтобы выжить и улучшить свою жизнь. Но их возможности были крайне ограничены – они могли создать лишь крошечный анклав в огромном и неподвластном им мире.

Переход к сельскому хозяйству и оседлому образу жизни около 10 000 лет назад стал огромным скачком в расширении человеческих возможностей. Впервые люди стали есть не то, что нашли в лесу или поймали на охоте, а то, что сами вырастили. Появилась возможность выбирать место жительства и строить постоянные дома, вкладывая силы в долгосрочное обустройство.

Однако первые земледельцы, вероятно, работали тяжелее охотников-собирателей и имели худшее питание, о чем свидетельствует уменьшение среднего роста. Некоторые исследователи даже называют переход к сельскому хозяйству “худшей ошибкой” в истории человечества. Но, скорее всего, охотники-собиратели были вынуждены перейти к земледелию из-за обстоятельств, неподвластных их контролю – роста численности населения или изменения климата. 

Называть это ошибкой – значит смотреть на ситуацию с современной точки зрения. У примитивных народов не было возможности осознанно направлять развитие своих обществ или даже понять, что происходят столь масштабные изменения. Это еще раз подчеркивает, насколько ограниченными были возможности охотников-собирателей – даже если им нравился их образ жизни, они не могли его сохранить при изменении внешних условий.

Расцвет цивилизации и новые возможности

Те, кто решил перейти к оседлому образу жизни, заложили фундамент для гораздо более мощной цивилизации. Постоянные поселения позволили накапливать имущество, в том числе тяжелые предметы, которые невозможно было носить с собой. И самое главное, появилась возможность строить большие печи, способные генерировать интенсивное тепло, необходимое для трансформации материалов: выплавки металлов, выдувания стекла, обжига глины и известняка. 

Человечество сделало огромный скачок, выйдя за пределы использования дерева, камня и других природных материалов. Мы научились создавать новые материалы, которые значительно расширили наши возможности: металл позволил создавать новые виды инструментов, стекло и керамика – новые способы хранения пищи, цемент и кирпич – новые методы строительства.

Мы начали использовать энергию, выходящую за рамки наших мышц: ветер, воду, животных. Мы научились направлять и усиливать эту энергию с помощью шестерен, рычагов, блоков и винтов. Это открыло новые способы молоть зерно, пилить древесину, поднимать камни и балки – как для облегчения труда, так и для увеличения нашей силы.

С новыми материалами и источниками энергии мы начали преобразовывать найденный нами мир в новый, отчетливо человеческий мир. Мы вспахивали поля, мостили дороги, перегораживали реки. Мы строили города, полные домов, магазинов, дворцов и храмов. Мы соединили континенты с помощью огромных кораблей, пересекающими океаны, что привело к глобальному перераспределению сельскохозяйственных культур, домашнего скота и людей.

В этом новом мире открылся гораздо более широкий спектр профессий. Хотя большинство работников все еще трудились в полях, некоторые могли специализироваться на ремеслах: кузнечном деле, ткачестве, гончарном деле, плотницком ремесле. Некоторые становились торговцами или моряками и путешествовали по миру. Очень немногие привилегированные люди могли даже посвятить себя знаниям, праву, искусству или религии.

К этому времени человечество уже намного превзошло любой другой вид; наше господство над природой было беспрецедентным. И все же, по сегодняшним меркам, эти люди все еще были беспомощны.

Уязвимость перед природой и случайностью

Каждое человеческое начинание было уязвимо перед случайными потрясениями и неудачами. Сельское хозяйство могло потерпеть неудачу из-за засухи, заморозков, болезней растений или вредителей. Даже в лучших обстоятельствах производительность была очень низкой: около 1000 кг зернового эквивалента на одного работника в год, едва хватало, чтобы прокормить самого работника и его семью. С небольшим избытком и малой способностью сохранять его для трудных времен или транспортировать для помощи пострадавшим регионам, голод был обычным явлением.

Производственные процессы были переменчивыми и непредсказуемыми. Кузнец не мог установить точную температуру в своей печи, потому что у него не было термометра, да и само понятие температуры, позволяющее какую-либо точность, отсутствовало. Руда, которую он загружал в эту печь, содержала примеси из природы, но у него не было способа проверить их, ни  научных знаний, чтобы их идентифицировать. Даже в 1800-х годах от управляющих доменными печами ожидалось, что они будут чувствовать свои печи и управлять ими по инстинкту. Готовые изделия, от подков до котельных плит, изготавливались вручную, между молотом и наковальней или ручными вальцами, и не могли иметь большей точности, чем могли обеспечить рука и глаз.

Все формы транспорта зависели от капризов погоды. Корабли плыли милостью ветра и не могли двигаться, если он переставал дуть. Способность ориентироваться в открытом океане не была широко распространена; большинство торговых путешествий держались берега или следовали по нескольким известным маршрутам, следуя сезонным муссонным ветрам. Путешествие по суше было еще хуже: медленное, трудное и дорогое; через ландшафт, полный гор, рек, каньонов и других непреодолимых препятствий. Штормы могли вызвать кораблекрушение; дождь мог превратить грунтовые дороги в грязь; снег мог заблокировать горный перевал на всю зиму.

Использование энергии также зависело от случайностей. Ветряные мельницы работают только когда дует ветер. Водяная энергия ограничивалась речными участками и прекращалась, когда река мелела или замерзала зимой. Ни то, ни другое нельзя было накопить, транспортировать или масштабировать: их нужно было использовать там, где и когда они есть. Для отопления и освещения мы также использовали найденные источники энергии: дерево и уголь, жиры и масла, солому, хворост, даже навоз животных – все, что было вокруг и могло гореть. С небольшой возможностью очистить наше топливо, оно выделяло едкий дым, который повреждал глаза и легкие.

Беспомощность перед болезнями и стихийными бедствиями

Болезни были повсеместны. Эпидемии усугублялись плотными городскими популяциями и близостью людей к домашнему скоту. Контроль над болезнями ограничивался очень грубыми мерами, такими как карантин, и несколькими неэффективными методами лечения, такими как хинин от малярии. Когда разразилась чума, люди обратились к молитве и покаянию. Больные даже не имели знаний или возможности не заражать своих самых близких любимых.

Беспомощность была такой чертой человеческого состояния, что ее считали правильным и естественным порядком вещей. В 1722 году, когда инокуляция от оспы (предшественник вакцинации) набирала популярность на Западе, один лондонский священник яростно проповедовал против нее. Болезнь, утверждал он, была послана Богом – “либо для испытания нашей веры, либо для наказания за наши грехи”. В любом случае, только Бог имел право посылать болезни и даже устраивать “самые мельчайшие обстоятельства жизни”.

Это доверие к мудрости божественного провидения распространялось даже на стихийные бедствия. Когда в 1755 году сильное землетрясение и цунами обрушились на Лиссабон, убив десятки тысяч человек и разрушив большую часть города, комментаторы изо всех сил старались оправдать это злодеяние и оправдать своего Бога. Некоторые называли это наказанием за нечестивый образ жизни жителей Лиссабона. Протестанты говорили, что это было направлено против католиков за проведение инквизиции. Руссо даже обвинил в разрушении людей за то, что они решили строить высокие здания в плотных городских центрах.

Этот фатализм постепенно разрушался рациональностью Просвещения и материальным прогрессом. Мы смягчили разрушения от землетрясений не отказом от городов, а изучением сейсмологии и строительной инженерии, а затем проектированием сейсмостойких зданий. Когда сегодня происходят катастрофы, от пандемий до финансовых кризисов, мы не приписываем их Провидению; мы называем их неудачами политики и руководства. Мы больше не считаем случайные события неконтролируемыми – мы настаиваем на их контроле.

Современный мир – беспрецедентный контроль

Теперь мы достигли беспрецедентного уровня контроля над нашим миром. И сельское хозяйство, и производство теперь стабильны и надежны. С ирригацией мы больше не зависим от дождя; с пестицидами и гербицидами мы отражаем атаки природы. С химическим анализом и компьютеризированным оборудованием мы обрабатываем сырье из любого источника, любого состава, и производим чистые, постоянные сплавы, состав которых измеряется до сотых долей процента. И мы создали не только изобилие, но и невероятное разнообразие: наши супермаркеты заполнены десятками вкусов каждого продукта, от хлопьев до соуса для пасты; наши торговые центры – рай материальных благ, удовлетворяющих каждую индивидуальную потребность, стиль и вкус.

Мы научились использовать энергию. Изобретение двигателя позволило нам преобразовывать топливо в движение, разрывая нашу зависимость от непостоянных источников энергии, таких как ветер и вода. Использование энергии стало надежным и масштабируемым; мы могли развертывать ее в любое время, в любом месте. 

Ускорение материального прогресса всегда беспокоило критиков, которые опасались, что мы не сможем поспеть за темпами изменений. Американский социолог и футуролог Элвин Тоффлер в своем эссе 1965 года, в котором был введен термин “шок будущего”, писал:

“Я считаю, что большинство людей, живущих сегодня, будут все больше терять ориентацию и, следовательно, все больше терять способность рационально взаимодействовать с окружающей средой. … Изменения обрушиваются на наши головы лавиной, и большинство людей совершенно не готовы с ними справиться… Такие масштабные изменения, происходящие с возрастающей скоростью, дезориентируют, собьют с толку и раздавят многих людей”. 

Не рабство, а освобождение

Тоффлер и его единомышленники тревожились, что с ускорением прогресса мир выскользнет из наших рук. Но, как мы только что убедились, исторический тренд прямо противоположен: мир действительно меняется все стремительнее, но мы становимся всё искуснее в обращении с переменами. 

Мы лучше понимаем изменения благодаря научным теориям, измерительным приборам, системам мониторинга и глобальным коммуникациям. Мы эффективнее реагируем на них благодаря технологиям, богатству и инфраструктуре, особенно производственной и транспортной. И мы можем лучше координировать эти реакции через корпорации, рынки, правительства и нормы международного сотрудничества. 

Перемены ускоряются с самого каменного века, но мы гораздо лучше справляемся с изменениями в нашем стремительном мире, чем племенные охотники-собиратели, императоры бронзового века или средневековые короли могли справиться с переменами даже в их относительно неторопливых эпохах. Все эти общества сталкивались с экзистенциальным риском от таких простых факторов, как изменение климата или новый патоген: голод, чума или война могли вызвать и вызывали крах цивилизаций.

Другие критики опасались, что поскольку технологии отличны от нас самих, прогресс, следовательно, ослабляет нас и делает зависимыми от чуждого объекта или даже порабощает нас нашими же машинами. Ещё в 1863 году Сэмюэл Батлер предостерегал:

“День за днём… машины берут над нами верх; день за днём мы становимся всё более подчиненными им; всё больше людей ежедневно превращаются в рабов, обслуживающих их, всё больше людей ежедневно посвящают энергию всей своей жизни развитию механической жизни. …

Наше мнение таково, что война не на жизнь, а на смерть должна быть немедленно объявлена им. Каждая машина любого сорта должна быть уничтожена доброжелателем своего вида. Пусть не будет никаких исключений, никакой пощады; давайте сразу вернемся к первобытному состоянию расы. Если будет утверждаться, что это невозможно при нынешнем состоянии человеческих дел, это сразу доказывает, что беда уже случилась, что наше рабство началось всерьез, что мы породили расу существ, которых не в силах уничтожить, и что мы не только порабощены, но и абсолютно смирились с нашим рабством.”

Но если мы “рабы” наших машин, тогда крестьянин-фермер — раб погоды и почвы, а охотник-собиратель — раб диких растений и дичи. Использовать термин “рабство” для любого внешнего влияния или ограничения — значит уничтожить само это понятие. Мы существуем в природе и должны прокладывать в ней свой путь; это не рабство, а закон природы. Мы можем выбрать делать это хорошо или плохо, иметь устойчивость или нестабильность, жить, используя машины и системы нашего собственного дизайна, или быть во власти удачи и случая. Переход от последнего к первому — это не рабство, а освобождение.

https://tinyurl.com/59xux2sd

Устойчивые к метициллину штаммы S. aureus были у ежей еще до открытия антибиотиков

 

Рис. 1. Европейский ёж (Erinaceus europaeus) и гриб Trichophyton. Грибы этого рода живут на коже ежей и других млекопитающих (включая человека), питаются кератином и вызывают различные микозы, такие как стригущий лишай. Фото с сайтов flickr.com и en.wikipedia.org

Быстрое распространение штаммов золотистого стафилококка, устойчивых к метициллину и другим бета-лактамным антибиотикам (метициллинрезистентный Staphilococcus aureus, MRSA) традиционно связывают с широким использованием этих антибиотиков в медицине и животноводстве. Новое исследование показало, что некоторые разновидности MRSA возникли задолго до открытия антибиотиков и чаще встречаются у диких европейских ежей, чем у людей и домашних животных. На примере одной хорошо изученной страны (Дании) удалось показать, что люди чаще заражаются теми вариантами MRSA, которые преобладают у местных ежей. Другие дикие и домашние животные тоже могут переносить MRSA, но ежи, по-видимому, являются главным природным резервуаром определенных разновидностей этих микробов. Устойчивость к метициллину и другим бета-лактамам могла развиться у S. aureus в ходе адаптации к жизни на коже ежей, зараженных паразитическим грибом — дерматофитом Trichophyton erinacei. Этот гриб производит сразу два бета-лактамных антибиотика: пенициллин G и 6-(5-гидрокси-n-валерамидо)-пенициллановую кислоту. Ежиные штаммы MRSA надежно защищены от обоих антибиотиков двумя генами, mecC и blaZ. Эти гены расположены рядом друг с другом внутри встроенного в геном мобильного элемента, который неоднократно передавался от одних бактерий к другим. Белки, кодируемые этими генами, используют две принципиально разные стратегии защиты от бета-лактамных антибиотиков.

Метициллинрезистентный золотистый стафилококк (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) впервые был обнаружен в 1960 году, почти сразу после того, как врачи начали использовать метициллин для борьбы со штаммами стафилококка, устойчивыми к пенициллину. Сегодня MRSA поражает более 170 000 человек в год в одной только Европе и считается серьезной угрозой здоровью человечества (см.: World Health Organization, 2017. Global priority list of antibiotic-resistance Bacteria to guide research, discovery, and development of new antibiotics). MRSA всё чаще обнаруживают у домашних животных (свиней, коров, коз, овец, лошадей, кур), которые сами обычно не очень страдают от инфекции, но могут передавать ее людям.

Распространение MRSA традиционно связывают с широким применением антибиотиков из группы бета-лактамов в медицине и животноводстве. При этом известно, что MRSA встречается также у диких млекопитающих и птиц. До сих пор предполагалось, что дикие животные обычно заражаются MRSA от людей и домашних животных (а не наоборот).

Еще в 1960-е годы было замечено, что у европейских ежей часто встречаются штаммы золотистого стафилококка, устойчивые к пенициллину. Тогда же было показано, что гриб Trichophyton erinacei, дерматофит, живущий на ежиной коже, производит антибиотик, похожий на пенициллин. Таким образом, стало ясно, что S. aureus мог приобрести устойчивость к пенициллину задолго до открытия Александра Флеминга, адаптируясь к ежам и их кожным грибам (J. M. B. Smith, M. J. Marples, 1965. Dermatophyte lesions in the hedgehog as a reservoir of penicillin-resistant staphylococci).

Пенициллинрезистентные, но чувствительные к метициллину стафилококки защищаются от пенициллина при помощи фермента пенициллиназы. Эта защита не срабатывает против метициллина и других бета-лактамных анитибиотиков, устойчивых к пенициллиназе. Метициллинрезистентные штаммы S. aureus (MRSA) используют другую защиту: у них есть ферменты PBP (penicillin-binding protein) 2a и 2b, которые кодируются генами mecA и mecC. Ферменты PBP необходимы для синтеза бактериальной клеточной стенки: они соединяют друг с другом соседние нити полимера пептидогликана, составляющего основу клеточной стенки. Бета-лактамы блокируют работу обычных PBP (на этом и основано их антибактериальное действие), но бессильны против версий PBP2a и PBP2b, которые обладают пониженным сродством к бета-лактамам. Поэтому гены mecA и mecC надежно защищают стафилококков почти от всех бета-лактамных антибиотиков, включая устойчивые к пенициллиназе.

Недавно выяснилось, что у ежей в Швеции и Дании подозрительно часто встречаются метициллинрезистентные штаммы S. aureus с геном mecC (mecC-MRSA, см.: S. L. Rasmussen et al., 2019. European hedgehogs (Erinaceus europaeus) as a natural reservoir of methicillin-resistant Staphylococcus aureus carrying mecC in Denmark). Это позволило предположить, что дикие ежи являются естественным резервуаром не только пенициллинрезистентных, но и метициллинрезистентных стафилококков mecC-MRSA, и что происхождение этих штаммов тоже связано с адаптацией к антибиотикам, производимым грибом Trichophyton erinacei. Вскоре были получены первые косвенные подтверждения этой гипотезы, основанные, правда, лишь на данных по 23 шведским ежикам (F. Dube et al., 2021. Benzylpenicillin-producing Trichophyton erinacei and methicillin resistant Staphylococcus aureus carrying the mecC gene on European hedgehogs — A pilot-study).

Более основательно подошел к делу международный коллектив из 64 исследователей, опубликовавший в журнале Nature результаты изучения 276 ежей из 10 стран (девяти европейских и Новой Зеландии, куда европейских ежей завезли между 1869 и 1892 годами). Обследовались ежи из центров реабилитации для диких животных.

У 101 животного на коже и слизистой носа обнаружились метициллинрезистентные стафилококки mecC-MRSA. Зараженные особи происходят из Соединенного Королевства, Чехии, Дании, Португалии и Новой Зеландии. В остальных странах (Греция, Румыния, Италия, Франция, Испания) у всех ежей тесты оказались отрицательными (рис. 2).

Рис. 2. Встречаемость стафилококков mecC-MRSA у ежей из разных стран. Шесть родственных групп (клональных комплексов) mecC-MRSA показаны разными цветами, белый цвет соответствует пробам, в которых стафилококки mecC-MRSA не были обнаружены. Размер круга соответствует количеству проб. С каждого ежа брали по три пробы (с кожи, носа и ступней), самый большой круг (UK-4) соответствует 40 ежам и 120 пробам. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Полногеномное секвенирование показало, что ежиные стафилококки mecC-MRSA подразделяются на шесть линий («клональных комплексов») с различающейся эволюционной историей. Ген mecC у всех линий находится во встроенном в геном мобильном элементе, который называется SCCmec (type XI staphylococcal cassette chromosome mec). Вплотную к гену mecC в том же мобильном элементе сидит еще один ген устойчивости к бета-лактамным антибиотикам — blaZ, кодирующий пенициллиназу. Другие варианты мобильного элемента SCCmec, несущие ген mecA (а не mecC), встречаются у других метициллинрезистентных штаммов S. aureus (mecA-MRSA), которые вызывают наиболее серьезные медицинские проблемы (H. F. Chambers, F. R. DeLeo, 2009. Waves of resistance: Staphylococcus aureus in the antibiotic era). Происхождение их неясно, к ежам они отношения не имеют и в обсуждаемой статье не рассматриваются.

Кроме того, у исследованных ежей было обнаружено 22 штамма S. aureus, чувствительных к метициллину (MSSA), некоторые из которых относятся к тем же клональным комплексам, что и mecC-MRSA (это говорит о довольно частых горизонтальных переносах генов устойчивости от одних стафилококков к другим). У ежиных MSSA нет гена mecC, однако у 14 штаммов из 22 есть другая, сильно отличающаяся версия гена blaZ. Ген mecA, имеющийся у других (не ежиных) MRSA, приходится примерно таким же дальним родственником mecC, как эти две версии blaZ друг другу.

Авторы также изучили геном дерматофита Trichophyton erinacei на предмет наличия в нем генов синтеза антибиотиков — и обнаружили гены, ответственные за производство пенициллина G (бензилпенициллина). При помощи жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии удалось показать, что, помимо пенициллина G, T. erinacei производит еще один бета-лактамный антибиотик — 6-(5-гидрокси-n-валерамидо)-пенициллановую кислоту. Какие гены отвечают за ее синтез, пока неизвестно, поэтому их и не нашли в геноме гриба.

Эксперименты с природными и генетически модифицированными стафилококками показали, что выделения гриба T. erinacei резко подавляют рост штаммов S. aureus, лишенных защитных генов, чуть меньше вредят штаммам с геном mecC, еще меньше — штаммам с геном blaZ, а наилучшую защиту дает комбинация обоих генов. При этом та версия blaZ, которая характерна для ежиных S. aureus, гораздо лучше защищает от выделений гриба, чем альтернативная версия этого гена, встречающаяся у других (не ежиных) пенициллинрезистентных штаммов золотистого стафилококка.

Таким образом, результаты согласуются с идеей о том, что адаптация золотистых стафилококков к жизни на ежах, зараженных грибом T. erinacei, могла способствовать распространению защитных генов mecC и blaZ.

Для большей доказательности, конечно, следовало бы посмотреть, как соотносится зараженность грибом T. erinacei с встречаемостью MRSA у ежей. Но авторы не смогли этого сделать, как они пишут, по этическим соображениям. Ведь для идентификации дерматофитов нужно брать не просто мазки с поверхности кожи или слизистой, а кусочки кожи, волосы и иглы, а ёжиков из реабилитационных центров нельзя так обижать.

Попытки авторов детально реконструировать на основе геномных данных эволюционную историю ежиных штаммов mecC-MRSA (для этого использовались, помимо ежиных, сотни близких штаммов, выделенных из людей и жвачных) не дали однозначных результатов. Картина получается слишком сложная и запутанная, но кое-какие выводы что всё же удалось сделать. За последние два-три столетия разные штаммы стафилококков многократно переходили с одних хозяев на других (долгая жизнь в жвачных или людях оставляет в геномах узнаваемые следы адаптации к конкретному хозяину), пересекали водные преграды (например, путешествовали из Дании в Англию и обратно) и обменивались генами устойчивости к антибиотикам посредством горизонтального переноса. Некоторые обнаруженные у ежей разновидности mecC-MRSA приобрели свою устойчивость лишь в XX веке — возможно, уже после того, как люди начали применять бета-лактамные антибиотики в медицине и животноводстве. Однако для части ежиных штаммов удалось показать, что они были метициллинрезистентными задолго до этого момента. Полученные данные в целом согласуются с гипотезой о том, что распространение в популяциях золотистого стафилококка мобильного элемента SCCmec с генами устойчивости mecC и blaZ изначально было связано с адаптацией стафилококков к ежам и их дерматофитам. Напомним, что происхождение более важных в медицинском плане метициллинрезистентных штаммов S. aureus с другими вариантами SCCmec, несущими ген mecA (а не mecC), с ежами не связано и в статье не рассматривается.

В настоящее время метициллинрезистентные золотистые стафилококки mecC-MRSA встречаются у диких европейских ежей гораздо чаще, чем у людей и домашних животных, — по крайней мере в тех европейских странах, по которым есть такие данные. Например, в Дании зараженность ежей mecC-MRSA составляет 61%, тогда как у коров, овец и коз она варьирует от 0% до 1,1%, а у людей выявляют лишь от 3 до 36 заражений в год.

Рис. 3. Географическое соответствие между разновидностями метициллинрезистентных стафилококков mecC-MRSA у диких ежей (слева) и людей (справа) в Дании. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

По-видимому, дикие ежи до сих пор являются важным природным резервуаром mecC-MRSA, из которого опасные патогены периодически передаются людям и другим животным. Это хорошо видно при сопоставлении данных по разновидностям mecC-MRSA, выявленным у ежей и людей в разных районах Дании (рис. 3). Наблюдаемое соответствие, скорее всего, указывает на систематический занос инфекции от ежей к людям (в результате непосредственного контакта или при посредничестве домашних животных), а не в обратную сторону. Ведь у ежей этой заразы гораздо больше, чем у людей. К тому же ежи намного меньше путешествуют, что придает ежиным инфекциям четкую географическую структуру.

Исследование показало, что дикие животные могут играть более важную роль в распространении устойчивости к антибиотикам, чем принято считать.

Источник: J. Larsen et al. Emergence of methicillin resistance predates the clinical use of antibiotics // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04265-w.

Александр Марков

https://bit.ly/3golowC

Juan Enriquez: Will our kids be a different species? - Будут ли наши дети другими видами?

Throughout human evolution, multiple versions of humans co-existed. Could we be mid-upgrade now? At TEDxSummit, Juan Enriquez sweeps across time and space to bring us to the present moment -- and shows how technology is revealing evidence that suggests rapid evolution may be under way.

Juan Enríquez Cabot (born 1959) is a Mexican-American academic, businessman, author, and speaker. He is currently the Managing Director of Excel Venture Management.


На протяжении человеческой эволюции сосуществовали разные версии людей. Можем ли мы быть в середине обновления сейчас? На TEDxSummit Хуан Энрикес пронзает время и пространство, чтобы приблизить нас к настоящему моменту, и показывает, как технологии открывают доказательства, свидетельствующие о том, что может происходить быстрая эволюция. Хуан Энрикес Кабот (род. 1959) - мексиканско-американский ученый, бизнесмен, писатель и докладчик. В настоящее время он является управляющим директором Excel Venture Management.

Происхождение менструации: расплата за большой мозг

За год женщина в результате менструаций теряет объем крови почти равный объему крови в ее организме. Кроме утраты клеток крови, иммуноглобулинов, ферментов, гормонов и других метаболитов организма ежемесячные менструации истощают резервы незаменимых аминокислот, витаминов и микроэлементов. Чем обоснована такая расточительность всегда бережливой хозяйки-природы? Почему у слоних, кошек и сук после завершения цикла эндометрий рассасывается и усваивается организмом, а у женщин - выбрасывается каждый раз, если не пригодился? Подобные парадоксы природы всегда возбуждали мое любопытство, и я предлагаю любознательным читателям разгадать эту тайну женского организма.

Задайтесь вопросом: что может быть общего между человеком, вампиром обыкновенным и слоновым прыгунчиком?



Оказывается, только эти 3 вида плацентарных млекопитающих менструируют! Более 5000 видов остальных плацентарных обходятся эстральным циклом, который исключает кровотечение. 

Если быть точным, то слабые менструации обнаружены еще лишь у 9 видов приматов и у 2 видов рукокрылых. Вот здесь все перечислены:

Учитывая, что отряды Приматов, Рукокрылых и Афротерий филогенетически разошлись в эволюции около 100 млн лет назад, а менструальные кровотечения отсутствуют у близкородственных им видов млекопитающих, следует признать, что менструальный цикл - довольно современное явление в природе. Менструация либо обеспечивает эволюционное преимущество непосредственно, либо является побочным результатом эволюции - своего рода "меньшая плата" за более существенное эволюционное приобретение.

В качестве "непосредственного преимущества" в 1993 году рассматривалась гипотетическая способность менструальной крови смывать остатки спермы, которая переносит инфекцию от мужчины. На данную гипотезу автора натолкнул верный факт - менструирующие млекопитающие имеют более высокую половую активность. Но его интерпретация данной закономерности не выдерживает критики - 3-недельного промежутка между менструациями вполне достаточно для развития инфекционного заболевания, более того многие микроорганизмы благополучно выживают в период кровотечения.

Сторонники идеи "меньшей платы" также пытались искать общие для человека, вампира и прыгунчика признаки, которые могут быть связаны с репродуктивной функцией и обуславливать возникновение менструации. Было обнаружено, что для всех менструирующих видов характерно:

• Высокая энцефализация - большой мозг относительно размера тела;
• Высокоинвазивная плацента - ткани плода непосредственно контактируют с кровью матери (у прочих плацентарных ткани плода не контактируют с кровью матери для исключения иммунологического конфликта);
• Высокая половая активность - спаривание до, во время и после овуляции (прочие плацентарные спариваются 1-3 дня в период течки, что соответствует периоду овуляции).

Но как могут быть связаны размеры мозга, тесный контакт плода с матерью, половая активность и менструальное кровотечение? Оказалось, что все это - звенья одной эволюционной цепочки, в которой менструации - лишь побочный эффект высокой энцефализации.

Большой мозг плода потребляет много ресурсов
Мозг человека потребляет до 25% общего обмена энергии организма, имея массу всего 2% от массы тела. Скорость метаболизма интенсивно растущего мозга плода сопоставима с таковой у взрослого человека. Все это требует высокой скорости передачи глюкозы и кислорода от матери к плоду через плаценту, что в свою очередь зависит от степени внедрения (инвазивности) ее тканей в ткани матки. В соответствии с уровнем метаболизма плода у плацентарных млекопитающих эволюционировало четыре типа плацент с разной степенью инвазивности:

Характерная для высших приматов высокоинвазивная плацента предполагает погружение ворсинок хориона непосредственно в материнскую кровь, что обеспечивает оптимальный транспорт глюкозы и кислорода в кровь плода и быстрое развитие его мозга. Но неужели и у вампиров с прыгунчиками, у которых также обнаружена высокоинвазиваня плацента, имеется большой мозг? Оказалось, что у данных животных отношение массы мозга к массе тела (0,03) даже больше, чем у человека (0,02). Большие размеры мозга у человека обусловлены развитием ассоциативной коры (интеллект), в то время как у вампира с прыгунчиком - развитием сенсорных зон, отвечающих за слух, обоняние и осязание. При этом, если эволюция человека шла к энцефализации в результате увеличения массы мозга на фоне стабильной массы тела, то у прыгунчика и вампира энцефализация возрастала из-за уменьшения массы тела. Легкое тело необходимо вампиру для выполнения полета, а для прыгунчика размер тела критичен в плане терморегуляции в условиях подземной жизни в климате с резким колебанием суточной температуры. Таким образом люди и данные животные практически достигли предельной энцефализации - еще меньшие размеры тела не в состоянии обеспечить достаточный метаболизм крупному мозгу, а вынашивание "второго" мозга в случае беременности требует экстремальной скорости метаболизма и высокой проницаемости плаценты.

Однако почему до сих пор у большинства плацентарных сохранились более примитивные малоинвазивные типы плацент, в то время как высокоинвазивная плацента позволяет ускорить развитие плода и сократить сроки беременности? Например, дельфины, имеющие среднюю энцефализацию (0,01), обходятся лишь слабоинвазивной эпителиохориальной плацентой, из-за низкой проницаемости которой увеличивается продолжительность беременности (12-16 месяцев). Дельфины, как и большинство млекопитающих, предпочли низкоинвазивные плаценты, потому что тесный контакт тканей плода с кровью матери практически гарантирует иммунологический конфликт. Но именно высшие приматы, вампиры и прыгунчики выработали механизм толерантности иммунитета матери к антигенам отца на плодных тканях, что и сделало возможным появление высокоинвазивных плацент. Данный механизм заключается в высокой сексуальной активности!

Иммунная система женщины запоминает сперму будущего отца
Некоторые осложнения беременности развиваются в результате атаки иммунной системы матери против отцовских антигенов на тканях плода, а риск их развития зависит от продолжительности и частоты половых контактов с отцом будущего ребенка. Например, у человека срыв иммунологической толерантности к плоду часто заканчивается выкидышем в первые недели беременности. Если же беременность удается сохранить, то иммунная система матери ограничивает врастание ворсинок хориона в стенки матки - возникает голодание плода, что сказывается прежде всего на развитии мозга. С целью компенсации голодания плацента вырабатывает вещества, которые заставляют организм матери увеличивать артериальное давление и уровень глюкозы крови. В результате этого лакуны интенсивнее заполняются кровью богатой кислородом и глюкозой и голодание плода нивелируется. Однако в случае срыва данных компенсаторных механизмов развивается сахарный диабет беременных и гипертония беременных, возрастает риск смертельно опасной эклампсии, для предотвращения которой показано кесарево сечение или стимуляция родов. Эклампсия была описана еще 2000 лет назад, но только недавно была обнаружена любопытная закономерность - риск заболевания меньше у женщин с наиболее продолжительной половой жизнью без презервативов с отцом будущего ребенка.

Данное наблюдение натолкнуло исследователей на мысль о влиянии спермы на иммунную систему женщины, и в 2009 году на мышах, которые также имеют инвазивные плаценты, был проведен интересный эксперимент. Самке вводили сперму одного самца, а через несколько дней трансплантировали ей участки кожи от различных самцов. В результате лучше приживалась кожа хозяина спермы. В другом исследовании было установлено, что после введения спермы в матку активируются лимфоциты-супрессоры, которые затем мигрируют в места имплантации эмбриона и подавляют активность лимфоцитов-киллеров. Авторы пришли к выводу, что лимфоциты-супрессоры распознают чужеродные антигены на сперматозоидах, а затем обеспечивают толерантность иммунитета матери к аналогичным отцовским антигенам на плодных тканях. Таким образом объясняется влияние высокой половой активности на развитие иммунологической толерантности у видов с высокоинвазивной плацентой.

Интересно, что высокая половая активность у приматов не только заменяет агрессию и является средством решения социальных конфликтов, но в ходе эволюции половой системы также стала способом разрешения иммунологических конфликтов матери с отцовскими антигенами высокоинвазивного плода.
(Подробнее о механизме развития бесплодия в результате генетической несовместимости супругов я рассказывал в этой статье)

Итак, для развития большого мозга необходима высокоинвазивная плацента, однако это чревато отторжением плода иммунитетом матери, а для подавления иммунологического конфликта требуется высокая половая активность с будущим отцом ребенка. Отличный вывод и на этом можно было бы кончить. Но причем же здесь менструации?

Ежемесячно немножко беременная матка
У всех плацентарных млекопитающих связь плаценты с маткой реализуется через децидуальный слой (лат. decidua - отпадающий) эндометрия. Данный слой богат капиллярами, секреторными и иммунными клетками, что и обеспечивает благополучное развитие плода. При этом у неменструирующих млекопитающих образование децидуального слоя запускается внедрением эмбриона в слизистую матки, а у менструирующих - формируется заранее под воздействием гормонов вне зависимости от наличия оплодотворения. То есть в матке у женщин&Co ежемесячно созревает ткань, которая у прочих животных обнаруживается только в случае уже наступившей беременности. Столь преждевременная "беременность матки" обусловлена высокими потребностями быстрорастущего мозга в энергии и необходимостью в зрелом иммунологическом барьере, готовым к глубокому вторжению чужеродных тканей плода.

Если беременность не наступает, то децидуальный слой отторгается, так как его пожизненное поддержание в готовности к имплантации еще более энергозатратно нежели менструация, а также чревато перерождением в опухоль. В определенном смысле менструация - это ежемесячное прерывание "беременности" матки, ведь и настоящий выкидыш происходит на границе между децидуальным слоем и остальной маткой, что также сопровождается кровотечением абсолютно у всех плацентарных млекопитающих.

Заключение
Конечно, природа не предполагала, что современные женщины почти всю зрелую часть своей жизни будут проводить вне беременности. Всего-то пару сотен лет назад для любой женщины было нормой более 10 беременностей с перерывами между ними на вскармливание, когда менструации часто также отсутствуют. А если учесть, что в древности продолжительность репродуктивного периода жизни не превышала 10-15 лет, то менструация была довольно редким событием, нежели ежемесячным правилом.

В наше время вполне определены тренды на снижение коэффициента рождаемости, добровольный отказ от естественного оплодотворения и даже вынашивания. Экстракорпоральное оплодотворение и суррогатное материнство уже много лет применяется в различных странах, а для процесса донашивания разработана и испытывается искусственная матка. Возможно, женщины будущего вовсе перестанут беременеть и рожать, а менструации будут считаться рудиментарным явлением. Не исключено, что в будущем менструации будет показано купировать медикаментозно, как сейчас купируют способность к зачатию или как пытаются предотвратить предменструальный синдром, который, согласно одной гипотезе, также может являться результатом эволюции. 

https://glagolas.livejournal.com