Устойчивость микробов к антибиотикам

С течением времени популяция (но не отдельная особь) может приобрести устойчивость к воздействию химических веществ, таких как антибиотики и пестициды

 

1877 • МИКРОБНАЯ ТЕОРИЯ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

1928 • ОТКРЫТИЕ

ПЕНИЦИЛЛИНА

1947 • УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОБОВ К АНТИБИОТИКАМ

сер. • ИММУННАЯ 1960-х СИСТЕМА

Все мы слышали пугающие истории о микробах, нечувствительных к антибиотикам. И действительно, многим в процессе лечения приходилось заменять один антибиотик на другой из-за того, что первый оказался неэффективным. Такое появление лекарственной устойчивости у популяции микроорганизмов — не странная месть матери-природы человечеству, а закономерное следствие теории

эволюции.

Существование различий между членами популяции составляет один из основополагающих принципов эволюции. Сегодня известно, что эти различия заложены в генах. Более того, жизнь любого организма (будь то бактерия или человек) по существу представляет собой серию химических превращений молекул. Действие антибиотика состоит в том, что он служит ингибитором, то есть тормозит или подавляет какую-либо химическую реакцию, жизненно важную для микроба. Например, пенициллин блокирует молекулы, участвующие в строительстве новых клеточных оболочек бактерий. Действие пенициллина можно упрощенно сравнить с жевательной резинкой, наклеенной на ключ, которая будет препятствовать открыванию замка. (Пенициллин не оказывает влияния на человека или животных, потому что наружные оболочки наших клеток коренным образом отличаются от клеток бактерий.)

У определенной популяции бактерий возможны различия в форме молекул, на которые направлено действие антибиотиков. Одни молекулы оказываются более чувствительными к «наклеиванию» лекарства, другие — менее. Чисто случайно у небольшого количества бактерий молекулы окажутся такой формы, которая менее чувствительна к отрицательному влиянию какого-то антибиотика (например, пенициллина). При воздействии лекарства на данную популяцию это небольшое количество устойчивых бактерий уцелеет. Через много поколений натуральный отбор приведет к преобладанию бактерий, в геноме которых закодированы менее чувствительные к лекарству молекулы. В конце концов появится популяция микробов, полностью невосприимчивых к данному антибиотику.

Необходимо еще раз отметить, что этот эффект проявляется через много поколений. Ни одна отдельно взятая бактерия не может приобрести иммунитет — форма молекулы определяется генами и обычно не меняется в течение жизни организма.

В 1952 году американские генетики Джошуа и Эстер Ледерберг провели классический эксперимент по изучению устойчивости микробов к антибиотикам. В чашках Петри на обычных питательных средах были выращены колонии бактерий, затем часть каждой колонии перенесли на другие чашки, где в питательную среду был добавлен пенициллин. Большинство колоний после этого пересева погибли, но одна из них выжила. Тогда ученые вновь вернулись к первичной колонии (от которой отсевали уцелевшую) и снова перенесли ее на питательную среду с пеницил-

 

лином. Колония вновь выжила, доказав, что она обладает устойчивостью к пенициллину, хотя никогда не подвергалась его воздействию. Этот эксперимент подтвердил представление о случайном характере устойчивости в популяции и о том, что устойчивость обусловлена естественным отбором.

Подобные эффекты наблюдаются и у высших организмов: например, у насекомых в процессе эволюции выработалась устойчивость к пестицидам, а у растений — к гербицидам. Механизм приспособления здесь такой же, как и у бактерий, которые приобрели устойчивость к антибиотикам. Случайным образом у некоторых особей в популяции появляются какие-то химические изменения в их природе, что позволяет им противодействовать влиянию пестицидов или гербицидов. Например, это могут быть особые молекулы, которые захватывают молекулы пестицида или гербицида и не позволяют им действовать. Или у этих особей могут вырабатываться химические вещества, удаляющие пестициды или гербициды из клеток организма прежде, чем эти яды успеют сильно повредить клетки. В результате естественного отбора организмы с такими особенностями выживают в первую очередь, и в конце концов вся популяция приобретет эту полезную особенность.

Зная о работах в области естественного отбора, ученые должны были бы ожидать такого поведения исследуемых организмов. Тот факт, что они этого не сделали, говорит нам скорее о несовершенстве человеческой природы, нежели о недостаточном эффекте антибиотиков и других химикатов. Однако эта приобретенная лекарственная устойчивость микробов вовсе не зачеркивает всего положительного, что принесли нам антибиотики и другие химические вещества. Это просто значит, что войну с болезнью нельзя выиграть в одной битве. Здесь можно провести аналогию с гонкой вооружений, в которой одна сторона добивается временного преимущества, а другая учится наносить ответный удар. Затем первая сторона разрабатывает контрудар на этот ответный удар, а другая сторона — противостоит контр-контрудару... Гонка вооружений никогда не кончается — так же, я подозреваю, никогда не закончится и наша битва с эволюционным потенциалом микробов. Главное — быть далеко впереди, чтобы держать болезни под контролем. И этого будет достаточно для победы.

 

Фазовые переходы

Чтобы вещество перешло из твердого состояния в жидкое (плавление или таяние), из жидкого в газообразное (кипение или испарение) или из твердого в газообразное (возгонка или сублимация), требуется поступление энергии извне. При обратных процессах (таких, как конденсация или кристаллизация) вещество, напротив, отдает энергию

•

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

Механическая

Теория теплоты

В обычных условиях любое вещество пребывает в одном из трех состояний — твердом, жидком или газообразном (см. агрегатные состояния вещества). Каждому из этих условий соответствует своя структура связей между молекулами и/или атомами, характеризующаяся определенной энергией связи между ними. Для изменения этой структуры нужен либо приток тепловой энергии извне (например, при плавлении твердого вещества), либо отток энергии вовне (например, при кристаллизации).

Взяв для начала твердое вещество, мы понимаем умозрительно, что в нем молекулы/атомы связаны в некую жесткую кристаллическую или аморфную структуру, — при незначительном нагреве они лишь начинают «трястись» вокруг своей фиксированной позиции (чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний). При дальнейшем нагревании вещества молекулы расшатываются все сильнее, пока наконец не срываются с «насиженного» места и не отправляются в «свободное плавание». Это и есть плавление, или таяние, твердого вещества в жидкость. Поступление же энергии, необходимой для таяния вещества, называют теплотой плавления.

График изменения температуры твердого вещества при переходе им точки плавления сам по себе весьма интересен. До точки плавления по мере нагревания атомы/молекулы раскачиваются вокруг своего фиксированного положения все сильнее, и поступление каждой дополнительной порции тепловой энергии приводит к повышению температуры твердого тела. Однако по достижении твердым веществом температуры плавления оно на какое-то время так и остается при этой температуре, несмотря на продолжающийся приток тепла, пока в нем не накопится достаточное количество тепловой энергии для разрыва жестких межмолекулярных связей. То есть в процессе фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое энергия поглощается им без повышения температуры, поскольку вся она уходит на разрыв межмолекулярных связей. Вот почему кубик льда в коктейле даже в самую жару остается ледяным по температуре, пока не растает весь. При этом, тая, кубик льда отбирает тепло у окружающего его коктейля (и тем самым охлаждает его до приятной температуры), а сам набирается энергии, которая требуется ему для разрыва межмолекулярных связей и окончательного саморазрушения.

Количество теплоты, необходимое для плавления или испарения единицы объема твердого вещества или жидкости, называется, соответственно, скрытой теплотой плавления, или скрытой теплотой испарения. И величины здесь фигурируют порой немалые. Например, для нагревания 1 кг воды от 0°С до 100°С требуется «всего» 420 000 джоулей (Дж) тепловой энергии, а для того, чтобы обратить этот килограмм воды в 1 кг пара с температурой, равной тем же 100°С, — целых 2 260 000 Дж энергии.

 

После того как твердая масса полностью превратилась в жидкость, дальнейшее поступление тепла повлечет вновь за собой повышение температуры вещества. В жидком состоянии молекулы вещества по-прежнему находятся в близком контакте, но жесткие межмолекулярные связи между ними разорваны и силы взаимодействия, удерживающие молекулы вместе, на несколько порядков слабее, чем в твердом теле, поэтому молекулы начинают достаточно свободно перемещаться друг относительно друга. Дальнейшее поступление тепловой энергии доводит жидкость до фазы кипения, и начинается активное испарение или парообразование.

И опять же, как было описано в случае таяния, или плавления, на какое-то время вся дополнительно поступающая энергия уходит на разрыв жидкостных связей между молекулами и высвобождение их в газообразное состояние (при неизменной температуре кипения). Энергия, затрачиваемая на разрыв этих, казалось бы, некрепких связей — т.н. скрытая теплота парообразования, — также требуется немалая (см. пример выше).

Все те же процессы при оттоке энергии (остужении) вещества происходят в обратном порядке. Сначала газ остывает с понижением температуры, и так происходит, пока он не достигнет точки конденсации — температуры, при которой начинается сжижение, — и она в точности равна температуре испарения (кипения) соответствующей жидкости. При конденсации, по мере того как силы взаимного притяжения между молекулами начинают брать верх над энергией теплового движения, газ начинает превращаться в жидкость — конденсироваться. При этом выделяется так называемая удельная теплота конденсации — она в точности равна скрытой удельной теплоте испарения, о которой уже говорилось. То есть сколько энергии вы потратили на испарение определенной массы жидкости, ровно столько энергии пар и отдаст в виде тепла при конденсации обратно в жидкость.

То, что количество теплоты, выделяемое при конденсации, весьма высоко, — факт легко проверяемый: достаточно поднести ладонь к носику кипящего чайника. Помимо жара от пара как такового ваша кожа пострадает еще и от теплоты, выделившейся в результате его конденсации в жидкую воду.

При дальнейшем остывании жидкости до точки замерзания (температура которой равна точке таяния) еще раз начнется процесс отдачи тепловой энергии вовне без понижения температуры самого вещества. Этот процесс называется кристаллизацией, и при нем выделяется ровно столько же тепловой энергии, сколько отбирается из окружающей среды при плавлении (переходе вещества из твердой фазы в жидкую).

Есть и еще один тип фазового перехода — из твердого состояния вещества непосредственно в газообразное (минуя жидкость). Такое фазовое превращение называется возгонкой, или сублима

 

цией. Самый бытовой пример — вывешенное сушиться на мороз сырое белье. Вода в нем сначала кристаллизуется в лед, а затем — под воздействием прямых солнечных лучей — микроскопические кристаллики льда попросту испаряются, минуя жидкую фазу. Другой пример: на рок-концертах «сухой лед» (замороженная двуокись углерода С0₂) используется для устройства дымовой завесы — она испаряется прямо в воздух, окутывая выступающих музыкантов и также минуя жидкую фазу. Соответственно, на преобразование твердого вещества непосредственно в газ затрачивается энергия сублимации.

 

Флогистон

В состав любого горючего вещества входит особая субстанция — флогистон

 

1683 • ФЛОГИСТОН

Эта старая химическая теория была основана на идее о том, что есть нечто, входящее в состав любого горючего вещества и представляющее собой его горючую часть. Это нечто получило название «флогистон», что по-гречески значит «воспламеняемый». Суть идеи была такова: когда вещество горит, флогистон выделяется из него и улетучивается. Считалось, что дерево, например, это смесь золы и флогистона, и при сжигании дерева выделяется флогистон, а остается зола. Аналогичным образом полагали, что металлы — это смесь флогистона и веществ, называемых окалинами.

Однако в этой теории была одна существенная неувязка: если образовавшаяся после горения зола обычно легче, чем изначальный кусок дерева, то окалины (или, как бы мы сказали сегодня, оксиды металлов) обычно тяжелее первоначального куска металла. Теперь мы знаем, что из-за наличия в древесине диоксида углерода и воды основные продукты сгорания дерева — газы — уходят в атмосферу, тогда как при соединении металлов с кислородом (например, когда железо ржавеет) образуется оксид — твердое вещество, — который никуда не исчезает.

Последний гвоздь в гроб теории флогистона был вбит Анту-аном Лавуазье. Он показал, что химическое соединение веществ с незадолго до того открытым элементом кислородом объясняет как увеличение, так и потерю их массы при химических реакциях горения.

 

АНТУАН ЛОРАН ЛАВУАЗЬЕ (Antoine-Laurent Lavoisier, 1743-94) — французский химик. Родился в Париже; получил всестороннее научное образование в Коллеже Мазарини (Collège Mazarin). Вложив средства в компанию по сбору налогов, он смог материально обеспечить создание лаборатории, в которой он заложил фундамент законов современной химии. Ввел в научную практику строгие методы проведения экспериментов, такие как тщательное взвешивание реагентов и продуктов реакции. Лавуазье не только опроверг теорию флогистона (хотя свет и тепло — «калории» — он продолжал считать химическими элементами), но также открыл состав

воды и установил, что органические вещества содержат углерод, водород и (во многих случаях) кислород. (См. также кислоты и основания.) Во время Французской революции Жан-Поль Марат (Jean-Paul Marat, 1743-93), человек крайних взглядов, обвинил его в том, что он создал препятствие для естественной циркуляции воздуха в Париже (Лавуазье руководил возведением городской стены). Как сборщик налогов Лавуазье был объявлен противником революции и закончил свой жизненный путь на гильотине. Его вдова вышла замуж за графа Рамфорда (Rumford), известного своим участием в обосновании меха -

НИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ТЕПЛОТЫ.

Формула Дрейка

Число внеземных цивилизаций, желающих вступить в контакт с нашей, предсказуемо

xvi • принцип коперника 1950 • парадокс ферми 1961 • ФОРМУЛА ДРЕЙКА

Антропный

Принцип

Вообще-то говоря, не многие крупные научные открытия датированы строго — не только годом, но и месяцем, и числом. Однако как минимум одно из них можно датировать с точностью буквально до минут. В ночь с 1 на 2 ноября 1961 года несколько ученых — участников конференции, проходившей в Грин-Бэнке (Green Bank), штат Виржиния, США, засиделись в баре допоздна за обсуждением статьи, написанной физиками Филипом Моррисоном (Philip Morrison, р. 1915) и Джузеппе Коккони (Giuseppe Cocconi, р. 1914). Они спорили, могут ли земные ученые, едва начавшие строить серьезные по размерам радиотелескопы, реально обнаружить радиосигналы, посылаемые внеземными цивилизациями из далекого космоса. Если где-то в глубинах Вселенной действительно есть хоть одна внеземная цивилизация, стремящаяся к контакту с нами, она, вероятно, посылает нам радиосигналы, и нам лишь нужно их поймать, рассуждали они. Заодно была сформулирована задача на следующий день конференции: оценить вероятное число внеземных цивилизаций, готовых вступить в контакт с нами.

Вопрос был поставлен, и ответ на него уже на следующий день предложил американский радиоастроном Фрэнк Дрейк. Согласно его формуле, число внеземных цивилизаций N составляет:

N = RPN LCT,

где R — число ежегодно образующихся звезд во Вселенной; Р — вероятность наличия у звезды планетной системы; N — вероятность того, что среди планет имеется планета земного типа, на которой возможно зарождение жизни; L — вероятность реального зарождения жизни на планете; С — вероятность того, что разумная жизнь пошла по техногенному пути развития, разработала средства связи и желает вступить в контакт, и, наконец, T — усредненное время, на протяжении которого желающая вступить в контакт цивилизация посылает радиосигналы в космос, чтобы связаться с нами. Смысл формулы Дрейка состоит, если хотите, не в том, чтобы все окончательно запутать, а в том, чтобы наглядно показать всю степень человеческого неведения относительно реального положения дел во Вселенной и хотя бы приблизительно раздробить одну чисто гадательную оценку общего числа цивилизаций в ней на несколько вероятностных оценок. По крайней мере, в таком виде все начинает выглядеть менее загадочно.

На момент конференции в Грин-Бэнке единственным более или менее известным числом в правой части формулы было число ежегодно образующихся звезд R. Что касается других чисел, то к планетам земного типа (N) даже в нашей Солнечной системе можно было отнести от одного (только Земля) до пяти (Венера, Земля, Марс и по одному из крупных спутников Юпитера и Сатурна) космических объектов планетарного типа. При оптимистичных прогнозах подобного рода получалось, что Галактика буквально кишит миллионами технологически развитых цивилизаций (N), а мы, по сути, юниоры в этой «галактической лиге». Эти сведения

 

незамедлительно заполонили средства массовой информации, а через них — и массовое сознание, и люди попросту перестали сомневаться, что существование внеземного разума есть непреложная истина.

Однако с 1961 года прошло уже не одно десятилетие, и чем дальше, тем больше мы убеждаемся в том, что нужно умерить оптимизм, изначально порожденной формулой Дрейка в массовом сознании землян, истосковавшихся по братьям по разуму. Сегодня мы знаем, например, в отличие от излишне оптимистичных участников грин-бэнкской группы, что существование жизни в пределах нашей Солнечной системы вне Земли крайне маловероятно (разве что она существует под толстым ледяным щитом в океане четвертого по величине спутника Сатурна, который по странной иронии называется Европа). И, хотя после 1961 года нами было открыто немало планетных систем вокруг ранее известных звезд, все они выглядят мало похожими на нашу Солнечную систему, поскольку планеты там по большей части обращаются по вытянутым эллиптическим орбитам с весьма значительным эксцентриситетом, а значит, годовой перепад температур на них выглядит неприемлемым с точки зрения развития белковой жизни. Фактически выяснилось, что условия, способствующие удержанию воды на поверхности планетарного тела в течение миллиардов лет без ее испарения и/или вымораживания, настолько жестки, что, кроме Земли, таких планет до сих пор не найдено — и это неудивительно, поскольку даже несколько процентов изменения радиуса земной орбиты приведут к тому, что наша планета станет непригодной для жизни.

Так случилось, что в 1981 году я и мой коллега-астроном Роберт Руд (Robert Rood, р. 1942) наткнулись на формулу Дрейка и решили ее критически переосмыслить в свете современных научных знаний. Подставив все имеющиеся у нас на руках оценки величин в правой части формулы, мы получили значение N, приблизительно равное 0,003. То есть три из тысячи (или примерно одна из трехсот) звездных систем имеют в своем составе технологически развитую, желающую общаться с нами цивилизацию. Или, если хотите, это означает, что межзвездные сигналы со стороны внеземного разума появились в нашей Галактике лишь в последнюю 1/300 часть срока ее существования. В любом случае ставки на предмет их обнаружения у нас крайне плохи: 1:300. Естественно, за прошедшие двадцать с лишним лет ничего не изменилось и никаких признаков жизни внеземные цивилизации не подали. Их поиск продолжается уже не первое десятилетие, финансируется и за государственный счет, и частными фондами. Увы... Мы и поныне не нашли себе пресловутых внеземных братьев по разуму, не говоря уже о том, чтобы попытаться вступить с ними в контакт. Да и ладно. Зато у нас накопилась масса абсолютно достоверных данных относительно того, чего там нет.

 

ФРЭНК ДОНАЛЬД ДРЕЙК (Frank Donald Drake, р. 1930) — американский астроном. Родился в Чикаго, учился на факультете электроники Корнельского университета. Прослушав курс лекций прославленного астронома Отто Струве (1897-1963) о формировании планетных систем, на всю жизнь загорелся интересом к вопросам внеземной жизни и цивилизации. Отслужив в американских ВМС, последовательно работал в

Национальной радиоастрономической обсерватории (ИКАО), Корнельском университете и Калифорнийском университете (г. Санта-Крус). При поддержке Струве Дрейк организовал строительство 28-метрового радиотелескопа на базе ИКАО (проект «Озма») — первого в мире измерительно-регистрирующего прибора, специально созданного для попытки выявить внеземную жизнь (см. пара -докс ферми).

Фотосинтез

•

Растения превращают солнечный свет в запасенную химическую энергию в два этапа: сначала они улавливают энергию солнечного света, а затем используют ее для связывания углерода с образованием органических молекул

1779, 1905

ЭКСПЕРИМЕНТ ВАН ГЕЛЬМОНТА

ФОТОСИНТЕЗ