Почему не все бактерии похожи на кишечную палочку

Заместитель директора Института проблем передачи информации РАН доктор биологических наук Михаил Гельфанд выступит на конгрессе «ЕвразияБио-2010», который пройдет в Москве 12-15 апреля, с докладом «Почему не все бактерии похожи на кишечную палочку». Перед выступлением он ответил на вопросы Infox.ru об эволюции бактерий.

Бактерии очень разнообразны

«На самом деле все бактерии совершенно не должны быть похожи на кишечную палочку. Но даже среди специалистов не все понимают, насколько велики различия между бактериями. А они подчас довольно существенны. Например, когда стали массово секвенировать геномы штаммов одного и того же вида, скажем, той же самой кишечной палочки, выяснили, что они могут различаться на треть по набору генов. Это было удивительно. Понимали, что разные штаммы растут в разных средах: кто-то патогенный, кто-то непатогенный... Но то, что генетические различия столь существенны, до начала эпохи секвенирования никто не осознавал».

Мозг для эволюции не нужен

«Механизм эволюции от мозга не зависит. У вас сначала происходят случайные изменения, которые являются материалом отбора. Они как-то влияют на приспособленность. Причем приспособленность -- это очень формальная вещь, способность оставлять потомство. Желательно даже не детей, а внуков. Влиять на появление этих изменений вы не можете. И дальше на масштабе популяции довольно просто считается вероятность закрепления случайного изменения в зависимости от его влияния на приспособленность и размера популяции. В маленькой популяции вредная мутация даже может закрепиться за счет случайного дрейфа, в большой -- не может. Правда, очень важно понимать, что среда меняется. Цель отбора все время сдвигается. Вот такой бег в поисках оптимума и представляет собой эволюцию».

«Так что как раз бактерии для эволюции приспособлены очень хорошо: поколения сменяются очень быстро, -- подчеркнул Гельфанд. -- Популяции большие, внутривидовая конкуренция огромная. И если вы научились хоть немного эффективнее использовать какой-то фактор окружающей среды, то эффект в таких условиях будет фантастический. Головной мозг же скорее эволюцию останавливает. Человек лечит больных, избегает близкородственных браков, которые по идее вычищают вредные рецессивные мутации. Видимо, эволюция человека притормозилась в последнее время. С этической точки зрения это хорошо, c медико-генетической -- наблюдается торможение эволюции из-за развития цивилизации».

Большой брат бактерий

«Человек, безусловно, влияет на эволюцию бактерий. Первый пример -- из чисто лабораторных экспериментов. Ричард Ленски долго вел несколько колоний, сейчас они наконец-то все секвенировали, и там эволюцию реально видно в пробирке. Кишечные палочки научились жить на ацетате, и видно всю цепочку мутаций, которые к этому привели».

«Из неэкспериментальных и прекрасно известных человечеству примеров влияния человека на эволюцию бактерий -- развитие лекарственной устойчивости. Когда человек стал травить бактерий внутри себя антибиотиками, они довольно быстро приобрели устойчивость. Механизмы приобретения устойчивости бывают очень разные. Один из самых существенных -- это когда бактерия получает от другой бактерии весь набор генов, которые эту устойчивость придают. Либо появляется белок, который эти антибиотики выкидывает из организма, если они туда попали, либо что-то, что антибиотики разлагает, либо вообще превращает антибиотики в еду».

«Лекарственная устойчивость в природе существовала всегда. Бактерии живут в почве, основной источник антибиотиков стрептомицеты (тип бактерий) -- в почве, грибы -- в почве. И вообще, в почве идет непрерывная химическая война. Концентрации особей большие, всем тесно, а среда относительно бедна пищей, и за ресурсы надо интенсивно конкурировать. И обитатели почвы применяли химическое оружие друг против друга еще задолго до человека, они же научились от этого защищаться. Самая первая защита появляется у того, кто травит, -- если вы начинаете травить кого-то антибиотиком, вы должны сами сначала от него защититься. А бактерии умеют обмениваться генетическим материалом, многие бактерии умеют обмениваться генетическим материалом между разными видами. Фактически они могут поглотить из среды ДНК разрушенной бактерии, вставить в свой геном и посмотреть, что получится. Бактерии этим занимаются, особенно когда плохо живут. Наши бактерии, человеческие патогены, с почвенными часто не встречаются. И потому нужных приспособлений не имели. Поэтому антибиотики с самого начала были очень эффективными. Но поскольку антибиотики использовали очень обширно, даже скоту подмешивали в качестве профилактического средства, включился мощный эффект отбора. Редкие столкновения с почвенными бактериями (скажем, в выделениях) привели к тому, что лекарственная устойчивость начала перениматься».

«Вообще говоря, устойчивые штаммы живут плохо. Потому что за устойчивость к антибиотикам приходится чем-то платить, какими-то ресурсами. Но как только устойчивость становится важным фактором для выживания, она становится движущей силой эволюции. Такие мутации могут закрепиться довольно быстро, буквально за несколько лет. Для масштабного проявления по каждому из типов мутаций достаточно нескольких лет».

«Еще один пример влияния человека на эволюцию бактерий. Найдены псевдомонады, которые научились питаться созданными человеком ароматическими соединениями. Поскольку таких веществ раньше на Земле не было, ясно, что горизонтальным переносом такую способность получить невозможно. Значит, дело в точечных мутациях».

Бактериям не удастся уничтожить человечество

«Вряд ли найдется бактерия, которая уничтожит человечество. Хотя в истории человечества такие попытки случались. Скажем, чумная бацилла -- это относительно молодой патоген. Это должны быть не бактерии, а вирусы. Все бактериальные патогены, страшные для человека, по всей видимости, нам известны. Извлеченная, например, из ледника бактерия случайно оказаться страшным патогеном для человека не может. Патогенез -- очень сложная вещь, нужно иметь множество разных приспособлений. Бактерии из ледников приспособлены совершенно к другим условиям, им в человеке будет просто жарко. Если стоит чего-то бояться, то скорее уж того, что волжские водохранилища размоют какой-нибудь скотомогильник с сибирской язвой. А вот новых бактерий вряд ли стоит ожидать. А пандемию если и ждать, то вирусную, а не бактериальную».

Польза или вред от бактерий зависит от наших знаний о них. Их можно, например, заставить выполнять работу, которую никто другой сделать не сможет.