Голодный бунт микробов

ВОЗ из года в год продолжает пугать всех нас то очередными эпидемиями, то грядущей пандемией не хуже той, что вызвал вирус ковид-19. Однако наука точно не знает, что же именно приводит к резкому всплеску заболеваний. Между тем 30 лет назад в «Химии и жизни» была опубликована серия статей Евгения Владимировича Ротшильда, высочайшего специалиста в области науки об инфекциях в природе, которые дают очень интересный взгляд на проблему. Мы объединили три статьи в одну и публикуем ее в двух номерах в надежде, что она привлечет внимание читателей к весьма плодотворной, научно обоснованной и актуальной, как нам кажется, концепции.

Живая власть для черни ненавистна,
Они любить умеют только мертвых.

А.С. Пушкин. «Борис Годунов»

Внутренняя среда против внешней

Среди бедствий, испокон веков терзающих род людской, не на последнем месте стоят инфекции — заболевания, вызываемые бактериями, вирусами и другими микроорганизмами. Цивилизация XX века не принесла избавления от этого зла: можно считать, что окончательно ликвидирована только одна инфекция — натуральная оспа. И потому защищенность человека от многих других инфекций весьма эфемерна: время от времени нам напрямую угрожают то холера, то дифтерия. Мало того, появляются новые, ранее неизвестные недуги. Среди них — СПИД, или ВИЧ-инфекция, остановить неуклонное распространение которой мировое сообщество пока не в силах.

Чем же объяснить такую беспомощность современной медицины? Причины в основном объективные. Врач, пытающийся защитить человека от инфекции, располагает, по сути дела, лишь двумя возможностями. Одна из них — активизировать иммунную систему организма, используя, например, вакцины. Другая — нарушить обменные процессы, а проще говоря, — отравить попавших в организм микробов антибиотиками или иными химическими препаратами. Оба пути несовершенны, поскольку связаны с принципиальными ограничениями. И вот результат: многие возбудители болезней, особенно вирусы, успешно обходят преграды иммунитета и мало чувствительны к лекарствам.

Итак, традиционные методы борьбы с инфекциями медицина привыкла реализовывать через внутреннюю среду — организм хозяина. А что же внешняя среда? Известно, что микробы на нее определенно реагируют — собственно, как и все живое. Во всяком случае, на солнечные бури они откликаются безотказно — повышением активности. Более полустолетия назад это убедительно доказал наш выдающийся соотечественник А.Л. Чижевский. А может быть, есть и другие реальные природные факторы, способные влиять на инфекционные болезни? Тогда дело, как говорится, за малым: обнаружить эти факторы и научиться их использовать в своих интересах.

Самое интересное то, что такие факторы известны. К примеру, это эколого-геохимические условия, в частности состав химических элементов в пище, воде и воздухе. Все организмы чутко реагируют на разнообразные изменения привычного соотношения элементов, которые поступают извне. Не составляют исключения и болезнетворные микробы, хотя сведения на этот счет в литературе довольно скудны. На практике же влиянию геохимических и других внешних факторов на инфекции вообще не придают особого значения. И причина в том, что главным условием возникновения болезни всегда считали и считают заражение здорового субъекта от больного. Такое правило, конечно, полезно для практического врача, однако если иметь в виду общие закономерности инфекционного процесса, то оно представляет скорее частный случай.

Крамольная мысль? Нисколько. На примере изучения инфекционных болезней диких животных в естественной среде их обитания (то есть в природном очаге) стало понятно следующее: болезнетворные микроорганизмы — вездесущие спутники животных, и свои агрессивные свойства они проявляют лишь в особых условиях. Одно из таких условий, вероятно, решающее, — резкое изменение состава химических элементов во внешней среде.

Однако, прежде чем такая идея обрела вид научно обоснованной концепции, прошел не один десяток лет. И в течение этого срока автор настоящей статьи вместе с коллегами изучали в естественных, природных условиях чуму. Чуму грызунов и зайцеобразных.

Чумная палочка Yersinia pestis вызывает жуткие пандемии и эпизоотии. Однако она же без всяких последствий годами живет рядом со своими будущими жертвами – всевозможными степными грызунами

Циркуляция чумы в степи

Чума — как ни покажется странным, довольно обычная болезнь небольших растительноядных зверьков. Они устраивают себе глубокие и сложные норы в открытых пространствах степей, пустынь и горных лугов. В норах они живут оседло и кормятся поблизости, не отходя дальше нескольких десятков метров. Поэтому за развитием болезней среди таких животных наблюдать очень удобно. Итак, если чума в естественных условиях, в частности у грызунов, явление заурядное, то этому надо дать какое-то разумное объяснение. Традиционная, каноническая концепция складывалась от следующих посылок: возбудители инфекции непрерывно циркулируют среди диких животных-носителей; от больного зверька заражается здоровый, от него другой или сразу несколько зверьков и так далее; возбудитель инфекции передается при прямом контакте, через внешнюю среду или же с помощью кровососов-переносчиков — клещей, блох, комаров; этот процесс регулярно и устойчиво воспроизводится, а его интенсивность зависит от численности животных: когда животных много, среди них развиваются массовые заболевания, называемые эпизоотиями, а при сильном сокращении числа носителей сохраняется лишь цепочка единичных случаев болезни.

Надо сказать, что основные этапы вот такой предполагаемой циркуляции возбудителя чумы действительно воспроизводили в лабораторных экспериментах. Однако никто не пытался доказать, что этот же механизм реализуется в живой природе. Иначе говоря, концепцию, которую выдвинули еще в довоенное время, приняли затем на веру как нечто очевидное, и долгое время она не вызывала особых возражений.

Шли десятилетия, и постепенно накапливались факты, которые не укладывались в принятую схему. Непонятно было, например, куда исчезает чумная бактерия во время многолетних перерывов между эпизоотиями. При этом на больших территориях, где прежде чума коренилась годами, зараженных или даже переболевших зверьков не могли обнаружить среди тысяч исследованных. Не менее удивительным оказывалось неожиданное появление чумы в этих же самых местах, причем инфицированных животных нередко находили массами сразу в десятках пунктов. А ведь там немногие месяцы назад царило полное благополучие. Не подтвердился также тезис о регулирующем значении численности животных: ученые установили, что на участках с разной плотностью зверьков чумные эпизоотии возникают почти одинаково часто. Да и работы по математическому моделированию развития чумы показывали, что даже для простого воспроизводства заданного числа больных зверьков интенсивность предполагаемого механизма передачи возбудителя инфекций надо увеличить в десять — сто раз.

Живущие рядом с очагом чумы пищухи могут совсем не замечать наличие смертельно опасной бактерии

Странное поведение инфекции

К концу 70-х годов ХХ века кризис традиционной теории осознавали уже многие. Вот тогда и стали обсуждать все то, что касалось жизненных циклов возбудителей инфекций. Например, у десятков видов болезнетворных микробов обнаружили способность обитать и размножаться во внешней среде — в почве, на органических остатках, в естественных водоемах. Кроме того, оказалось, что эти микроорганизмы могут длительно обитать и в организмах своих хозяев в виде безвредных и даже полезных сожителей — сапрофитов. Далее с генетических и биохимических позиций изучили, каким же образом у микробов-сапрофитов формируются болезнетворные, патогенные свойства.

И в конце концов вывод оказался таким: свободное обитание во внешней среде, безвредное сожительство с хозяином и паразитизм (в последнем случае микроб вредит хозяину) — это три разные, но естественные фазы существования одних и тех же микробов. Отсюда уже вполне объяснима удивительная способность чумы надолго уходить в подполье, а затем быстро активизироваться. Достаточно допустить, что чумной микроб постоянно существует в природных очагах как обитатель почвы и сапрофит — безвредный сожитель роющих зверьков, но в определенных условиях он становится паразитом, то есть вызывает заболевание. И такая концепция не противоречит известным фактам.

Однако, чтобы эта концепция получила завершенный вид, необходимо было установить тот естественный фактор, под действием которого и может совершаться вся эта драматическая перестройка отношений между микробом и хозяином.

Чтобы отыскать неизвестный фактор, надо поначалу представить себе его ожидаемые свойства. В нашем случае очевидно, что поскольку неизвестный нам фактор каким-то образом обеспечивает переход безвредного сапрофита в паразита, то ничего не остается, как признать за этим фактором способность воздействовать на глубинные процессы жизнедеятельности организмов. Следовательно, он должен влиять на жизнедеятельность и микроба, и его теплокровного хозяина; обеспечивать изменчивость чумных эпизоотий в пространстве и во времени; зависеть от геологических, почвенных и других местных условий.

И вот, если перебрать различные природные факторы, которые известны своей биологической активностью, то в полной мере перечисленным требованиям отвечают только эколого-геохимические условия. И в первую очередь — состав микроэлементов в растениях, которыми питаются животные.

Корень зла в микроэлементах

Каким же образом состав микроэлементов может влиять на инфекции? Хорошо известно, что полтора-два десятка микроэлементов, содержащихся в организмах в ничтожном количестве, отличаются высокой биологической активностью. Эти элементы, преимущественно металлы, входят в состав витаминов, ферментов, гормонов и участвуют в различных обменных процессах микроорганизмов, растений и животных. Недостаток или избыток микроэлементов во внешней среде и в пище могут вызвать у человека и животных различные эндемические — не инфекционные — заболевания, например эндемический зоб или кариес.

Микроорганизмы не менее чувствительны к изменению состава микроэлементов среды. У бактерий изменения концентрации кобальта, меди, молибдена, ванадия и некоторых других элементов эффективно стимулируют или, напротив, подавляют размножение и обменные процессы; цинк необходим для переноса генетической информации, а железо способствует проявлению у бактерий патогенных, болезнетворных свойств.

Все эти факты (в целом, повторяем, известные) не содержали, однако, главного: влияет ли состав химических элементов в природе на саму динамику инфекционных заболеваний — то есть на их вспышки и затем долгое исчезновение? И если влияет, то как?

Самый простой способ проверки — пойти и посмотреть все в природе, сравнить элементный состав корма зверьков в местах с чумой и без чумы. Чтобы получить четкий результат, надо выбрать участки, где болезнь недавно обнаружена, обособлена на местности, устойчиво повторяется. Кроме того, в каждом случае нужен контроль: похожий и близко расположенный участок, только без чумы. Там и здесь собрать растения, которыми питаются животные, провести анализы и сравнить.

Итак, первая экспедиция, конец 70-х годов. Это была чумная эпизоотия среди малых сусликов, возникшая в северном Прикаспии после многолетнего перерыва. И вот результат: по концентрации марганца, кобальта, меди, цинка и молибдена каждый образец растений из очагов чумы резко отличался от любого из контрольных.

В дальнейшем на протяжении десятка лет мы проводили аналогичные наблюдения на большой территории: в горах Алтая и Тувы, в песках Волго-Уральского междуречья, солончаковых пустынях нижней Эмбы, в песках Кызылкума, а также в монгольском нагорье Хангай. В целом массив данных по чумным очагам включал результаты анализа растений на 5–7 микроэлементов примерно из 130 пунктов. И характерным оказалось то, что все эти наблюдения подтверждали первый результат.

Вот одно из существенных заключений: заболевания растительноядных животных, вызываемые бактериями и вирусами, устойчиво связаны в природе с аномальной, необычной для своего географического места концентрацией химических элементов в кормовых растениях. Так, на участках эпизоотии одних элементов во много раз больше, других, напротив, резко меньше, чем в местах со здоровыми зверьками.

По отношению к закономерностям развития чумы все микроэлементы, которые мы изучали (они относятся к IV периоду системы Менделеева), можно условно подразделить на две группы. Металлы первой группы — наиболее характерно здесь железо — по мере повышения их концентраций в растениях создают более благоприятные условия для развития чумы, однако лишь до определенного, порогового значения этих концентраций. Когда этот порог перейден, инфекционная активность далее почти не увеличивается.

Роль металлов второй группы, примером которых может служить цинк, совсем иная. При их среднем или высоком, но стабильном для данной территории содержании в растениях зверьки остаются неизменно здоровыми, несмотря на то, что по соседству, всего в нескольких сотнях метров, болезнь ведет себя очень активно даже на протяжении нескольких лет.

А вот резкое (в 5–10 раз) снижение концентрации этих элементов за короткий срок может спровоцировать вспышку массовых заболеваний животных.

Интересно, что по влиянию на вирусные инфекции те же элементы проявляют себя иначе, чем в отношении чумы (последняя, напомним, вызывается бактерией). Тот же самый химизм среды, который препятствует развитию чумы, отчетливо способствует заражению животных вирусами клещевого энцефалита и геморрагической лихорадки. То есть если связь инфекций с геохимическими условиями — общая закономерность, то проявляется она в отношении разных болезней отнюдь не одинаково.

Инфекция и место

В целом стало понятным главное: инфекционные заболевания животных в природе непосредственно связаны с местом и временем аномального сдвига эколого-геохимических условий среды, а специфический химизм среды не только определяет характер течения уже возникших инфекционных заболеваний, как считали раньше, но и в принципе может провоцировать или, напротив, подавлять эти болезни.

Казалось бы, все сказанное выше — небольшой шаг вперед. Это не так. Многое уже выглядит в новом свете. Теперь ясно, что первооснова — вовсе не в акте заражения одной особи другой. И еще: случаи возникновения эпизоотии нельзя объяснить лишь изменением чувствительности животных. Правомернее говорить о повсеместном распределении исходно безвредного микроба-сапрофита, который, однако, под действием внешнего фактора-сигнала может быстро активизировать свою скрытую патогенность. И таким сигналом для чумы служат геохимические условия. Не исключено, что такую же роль играют и некие иные, пока нам неизвестные природные факторы, а также техногенные загрязнения среды.

Да, сам по себе микробный паразитизм — агрессия микроорганизма против своего теплокровного хозяина — это, конечно, драма, причем драма как для первого, так и для второго. Микроб, оказывается, проявляет патогенные свойства лишь в критических для себя условиях — условиях резкого нарушения его минерального питания. Это — как бунт голодной толпы, которая убивает своего правителя, не думая о трагических последствиях содеянного. Впрочем, как всякий бунт, бунт микробов можно предупредить.

И, как ясно из нашего рассказа, не только репрессивными мерами. В первую очередь регулированием минерального питания. Иначе говоря, микроб в организме хозяина должен быть сытым. И там ему от хозяина должно перепадать всего, в том числе всех необходимых микроэлементов.

Так что человеку — хозяину многих, до поры безвредных микробов-сапрофитов — следует об этом помнить. Иначе — бунт, беспощадный бунт бактерий и вирусов.

Но только ли стихийные, природные эксцессы повинны в нарушении химизма среды — и, стало быть, во внезапном возникновении инфекций? Нет, можно протянуть ниточку и к техногенному загрязнению. Загрязнение природной среды различными химическими соединениями, отходами промышленного производства или намеренно рассеянными веществами вроде пестицидов и туков — это, как говорится, притча во языцех нашей природоохранной публицистики. От подобных загрязнений страдает все живое, но особенно нас беспокоит, само собой, вред для здоровья человека.

Увы, несть числа опасностям, которые здесь, в техногенной среде, нас подстерегают. Это болезни внутренних органов, дыхательных путей, аллергические, онкологические и некоторые другие. Но вот что любопытно: в числе этих последних практически не заходит речь о болезнях инфекционных. Почему? Вот традиционная точка зрения: связывать появление таких заболеваний, как, например, грипп или пневмония, с действием каких-либо поступающих извне химических веществ абсурдно, поскольку точно установлено, что эти болезни вызываются не химическими веществами, а живыми агентами — вирусами или бактериями. Поэтому нет ничего странного в том, что зависимость инфекций от химического загрязнения среды, разумеется, никто всерьез не изучал.

Синдром крутого поворота

Между тем изучение жизненных циклов патогенных микробов вплотную подводило к этой проблеме. Оказалось, что бактерии и вирусы могут длительно существовать во внешней среде или в организмах теплокровных животных, не причиняя им никакого вреда. Но вот среди, казалось бы, полного благополучия — беда: микробы становятся агрессорами, внезапно проявляя свою скрытую патогенность. Причина? Резкое изменение химизма среды, в частности состава микроэлементов в растениях, о чем речь шла выше.

Итак, в какой-то период своей жизни зверьки переходят на новый корм. Начинают щипать недавно подросшую травку около своих нор или же кочуют в места, где вкусных растений побольше. Суслики, например, из полынной степи весной переселяются во влажные котловины с богатым покровом злаков, если они есть поблизости. И вот вскоре после этого, через две-три недели, среди здоровых зверьков вдруг появляются больные чумой.

Суслик. Главная природная жертва чумы

О чем говорят результаты полевых исследований? Сравниваем состав микроэлементов в растениях, собранных на участках с больными и со здоровыми зверьками. Вывод: появлению чумы предшествовал довольно резкий сдвиг концентрации определенных химических элементов в рационе животных — конкретно тех, которые необходимы для нормальной жизнедеятельности организмов: марганца, кобальта, меди, цинка. Содержание некоторых из них возросло, других — сократилось, в типичных случаях в 4–10 раз. Изменения, как видим, хотя и ощутимые, но в целом не очень большие. При техногенном загрязнении среды сдвиги бывают и посильнее, и потому на такие, которые зафиксировали мы, можно и не обратить особого внимания. Однако…

Распространено такое мнение: инфекционная болезнь возникает в случаях, когда для микробов складываются особенно удачные условия, чтобы увеличивать свою численность. Речь идет о полноценном питании, подходящей температуре и ряде других факторов. Так вот, на нашей модели развития инфекционного процесса в живой природе ничего подобного не получается! Вернее, получается все наоборот: предшествующие болезни изменения в минеральном питании зверьков заведомо неблагоприятны, вредны для развития и размножения именно микробов — сожителей животных. И эти микробы, скорее всего, гораздо чувствительнее своих хозяев к изменениям в составе пищи. Во всяком случае, только от погрешностей диеты, без резко возникшей из-за этого патогенности микробов, зверьки не гибнут.

А отсюда ключевой момент наших рассуждений: появление болезни — это следствие защитной реакции микроорганизмов, реакции в ответ на достаточно резкое, но не губительное для них нарушение питания. Вот она, причина той драматической для хозяина метаморфозы, когда прежде безвредный микроб-сожитель вдруг становится патогенным, а проще говоря, начинает, защищаясь, вырабатывать токсин, то есть яд. И не кажется ли вам, что аналогичных последствий в поведении микробов мы можем ожидать и от техногенных загрязнений среды, даже таких, которые кажутся довольно безобидными?

Теперь еще один, тоже очень важный момент. Хорошо известно, что люди, приезжающие в какую-то местность издалека, страдают от самых разных поветрий, причем чаще и тяжелее, чем местные жители. Многим, вероятно, пришлось испытать это на себе. А вот некоторые примеры, описанные в литературе.

В Дагестане в 40-е годы, в период массового переселения жителей из горных аулов на равнину, случаев заболевания малярией в районах размещения переселенцев было в 6–7 раз больше, чем в соседнем районе, населенном коренными обитателями равнин. К тому же бывшие горцы чаще заболевали здесь туберкулезом, кишечными и другими инфекциями. В Приморском крае в 50-е годы почти треть всех заболевших клещевым энцефалитом составляли работники геологических и топографических партий, в большинстве — приезжие.

Обычно это объясняют тем, что, мол, у старожилов успел возникнуть иммунитет к аборигенным возбудителям болезней, а вот у приезжих подобного иммунитета нет. Такой довод звучит, может быть, и убедительно, но лишь тогда, когда речь идет о сугубо местных, эндемических болезнях. Но вот закавыка: та же закономерность касается и вульгарных, то есть наиболее распространенных, инфекций. Медики давно заметили, что те, кто приезжают из центральных районов России на сезонную работу на Север, часто страдают от пневмонии и простудных заболеваний, хотя рабочий сезон на Севере — это обычно теплое время года.

Как известно, в случаях техногенного загрязнения особую тревогу вызывает повышенное содержание в среде каких-либо химических элементов или соединений. Однако результаты наших исследований на модели чумы у грызунов говорят, что не все здесь так однозначно и просто.

Болезнь среди зверьков дает особенно интенсивную вспышку в тех случаях, когда в растениях сильно и резко по времени снижается концентрация некоторых важных для организма элементов, например, той же меди. Именно снижение — от сравнительно высокого уровня к самому низкому. Но ведь при поездке на Север, в край чистых снегов и очень пресной воды, происходит примерно то же! Приезжие попадают в новую для себя геохимическую обстановку. В такую, где в природной среде снижена концентрация определенных, жизненно важных микроэлементов.

Продолжение — в следующем номере

Доктор биологических наук
Е.В. Ротшильд,
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Заметка фенолога

Профессор Чандра Викрамасингх из Букингемского центра астробиологии выдвигал гипотезу, что коронавирус ковид-19 прилетел на метеорите, который взорвался в районе Ухани 11 октября 2019 года. Специалисты гипотезу не приняли, указав на очевидное земное происхождение вируса. Однако если вещество метеорита было богато металлами и прежде всего — железом, то рассеявшись по окрестностям Ухани, а то и по всей планете, эти металлы могли активировать механизм инфекции, предложенный Е.В. Ротшильдом.