Основной инструмент, используемый теперь для первичного обнаружения и идентификации некультивируемых микробов, представляет собой целую серию лабораторных процедур, которые часто называют «конвейером». Это подразумевает, что все процедуры должны выполняться в определенном порядке[32]. На входе в «конвейер» помещается проба, а на выходе мы получаем перечень содержащихся в ней видов микроорганизмов независимо от того, в каком состоянии они находятся – активном, латентном или даже мертвом. В нашем исследовании нам придется не раз к этому возвращаться, так что давайте разберемся более детально в устройстве этого «конвейера».
Все начинается с проб. Когда они доставлены в лабораторию, каждая проба помещается в небольшую пробирку с каплей жидкости. В качестве проб подойдет все, что может содержать клетки или ДНК: образцы пыли, помета животных или воды. Жидкость в пробирке содержит мыло, белки, а еще крохотные стеклянные шарики, с помощью которых клетки «разбиваются» (примерно так, как разбивают яичную скорлупу), после чего из них можно извлечь ДНК, где хранится генетическая информация бактерий. Пробирки запечатывают, нагревают, встряхивают и центрифугируют. При центрифугировании тяжелые стеклянные шарики вместе с «обломками» клеток опускаются на дно, а драгоценные нити ДНК, будучи менее плотными, поднимаются к поверхности. Оттуда их уже легко снять, как снимают пенку или вытаскивают дохлую муху из бассейна[33]. Все эти операции в общем довольно просты, их могут выполнить даже сонные студенты на лабораторном практикуме, и даже если они пропустили мимо ушей большую часть инструктажа.
Чтобы идентифицировать разнообразные организмы на основе «извлеченной» из их клеток ДНК, нам нужно прочитать эту ДНК. Ученые называют этот процесс секвенированием. Вот это уже довольно сложная штука. Микроскоп увеличивает размеры наблюдаемого объекта, чтобы сделать его доступным для изучения, а вот при секвенировании нужно сначала максимально увеличить количество ДНК, чтобы понять невидимую информацию, которую она содержит. Только в этом случае можно считать «буквы» генетического алфавита – нуклеотиды, из которых ДНК и состоит. У всех организмов, кроме некоторых вирусов, ДНК представлена двумя взаимодополняющими цепочками, соединенными друг с другом чем-то вроде молекулярной застежки-молнии. Довольно давно ученые догадались, что если бережно расстегнуть эту «молнию», то каждая из получившихся цепочек может быть скопирована, и это можно повторять раз за разом, пока у нас не окажется достаточно ДНК, чтобы приняться за ее расшифровку. Расстегнуть застежку можно путем нагрева, и это не очень сложно. А вот для копирования отдельных цепочек необходимо участие белка, называемого полимеразой, который используется для копирования ДНК всеми клетками, включая человеческие. Итак, требовалось разъединить двойную цепь ДНК, добавить немного полимеразы, а также праймер (небольшой участок ДНК, который указывает полимеразе, какой именно отрезок ДНК, или ген, нужно копировать) и некоторые нуклеотиды. Проблема состояла в том, что при таких высоких температурах, при которых происходит расщепление двухцепочечной ДНК, полимераза разрушается. Один из громоздких, дорогостоящих и трудоемких способов решения проблемы состоял в том, чтобы добавлять свежую полимеразу и праймеры после каждого цикла нагревания. Этот способ работал, но мучительно медленно, так медленно, что большинство микробиологов предпочитали сосредоточиться на изучении тех видов, которые удается культивировать, и попросту игнорировали все неизвестные и некультивируемые в то время формы.
Но однажды решение было найдено. И этим решением был Thermus aquaticus, полимераза которого дееспособна при высоких температурах. И более того, именно в таких условиях она работает наиболее эффективно. Это было как раз то, что нужно. Через несколько лет после того, как Брок открыл Thermus aquaticus, генетики поняли, что если полимеразу этого вида (сокращенно Taq) добавить к ДНК при высокой температуре, то процесс копирования пойдет гораздо быстрее. Процесс копирования ДНК с помощью термоустойчивых полимераз, называемый полимеразно-цепной реакцией (ПЦР), может показаться второстепенным для науки. Однако практически все генетические тесты, проводимые в сегодняшнем мире, от установления отцовства до поисков бактерий в образцах пыли, основаны на ПЦР. Так бактерии, обнаруженные в горячих источниках и бытовых бойлерах, те самые, что заставили нас заняться поисками невидимой жизни в наших домах, стали источником белков, необходимых для того, чтобы вести эти поиски на современном научном уровне[34].
А вот какие именно гены копируют с помощью ПЦР ученые, лаборанты или врачи и как они потом расшифровывают полученные копии ДНК, зависит уже от цели конкретного исследования и от используемой технологии. В случае если нам нужно идентифицировать все виды бактерий, представленные в отдельно взятой пробе, обычно используют ген 16S рРНК. Он так важен для жизнедеятельности бактерий и архей, что за 4 млрд лет эволюции остался почти неизменным. Именно поэтому ученые так полагаются на этот ген, который есть у всех без исключения известных видов архей и бактерий. От вида к виду ген отличается достаточно для того, чтобы идентифицировать отдельные виды, но не настолько, чтобы его не распознать. А что касается методов, используемых для декодирования множества копий этого гена, то они весьма разнообразны. Некоторые основаны на добавлении маркированных нуклеотидов (тех самых букв генетического алфавита) в пробы, ДНК которых планируется скопировать. Маркируются они особыми веществами, которые может считать машина для секвенирования, или секвенаторы. Это устройство начинает работу со считывания праймера, которым открывается нуклеотидная цепочка, а потом считывает одну за другой все последующие «буквы». Это повторяется с каждой копией ДНК в пробе, хотя там их могут быть миллиарды, и в результате формируются огромные файлы с данными, в которых записаны расшифровки всех копий ДНК. Затем эти расшифровки объединяются в группы на основе их сходства и уже тогда считанные последовательности нуклеотидов каждой группы сравниваются с последовательностями уже известных видов, полученными ранее другими исследователями[35]. Конкретные детали этого процесса постоянно меняются, но одно остается неизменным: с каждым годом секвенирование становится все дешевле и проще. Не за горами времена, когда появятся портативные секвенаторы. (На самом деле такие уже существуют, но делают много ошибок при чтении ДНК. Со временем они станут лучше.)
Итак, в наши дни, главным образом благодаря Thermus aquaticus, стало возможным взять пробу и пропустить ее через «конвейер секвенирования», чтобы идентифицировать все виды микробов, что в ней содержатся, неважно, живые они или мертвые. Для этого не нужно ни рассматривать пробу в микроскоп, ни выращивать культуры входящих в нее видов. Биологи могут распознавать формы жизни, представленные в почве, морской воде, облаках, фекалиях и вообще где угодно. И не только культивируемые виды микробов, но и множество иных, которых пока не умеют выращивать в лаборатории. В мои студенческие годы такая возможность казалась несбыточной, да просто невообразимой. Теперь это обычное дело[36]. Лет десять тому назад я со своими коллегами задумал использовать эту методику для изучения жизни в домах. К тому времени уже стало возможным и вполне доступным взять пробу пыли с дверной рамы, каплю воды из-под крана или даже кусок ткани из одежного шкафа и идентифицировать почти все виды, присутствующие в образце путем расшифровки ДНК. Левенгук имел в своем распоряжении всего лишь увеличительное стекло для изучения окружающей жизни, а мы пропускаем ее через «конвейер секвенирования». На старте этого предприятия мы не могли даже предположить, что нам удастся обнаружить. А результаты оказались поразительными, причем не только по количеству найденных видов, но и по числу тех из них, что ранее не были известны.
Глава 3
Вглядываясь во тьму
Мы перестали искать чудовищ под своей кроватью, когда осознали, что они прячутся внутри нас.
Мой собственный путь к изучению форм жизни в домах начался во влажном тропическом лесу. В бытность мою студентом я провел часть второго года обучения в Коста-Рике, на биологической станции Ла Сельва. Я работал вместе с Сэм Мессье, аспиранткой из Колорадского университета в Боулдере, изучавшей один вид древесных термитов, называемый Nasutitermes corniger. Рабочие термиты питаются отмершей древесиной и листьями лесных деревьев. В такой еде полно углерода, но мало азота. Чтобы компенсировать недостаток этого элемента в пище, в кишечнике термитов имеются особые бактерии, способные поглощать азот из воздуха. Колонии этих рабочих термитов с их королевами, королем и потомством находятся под охраной термитов-солдат, головы которых вытянуты наподобие пушечных стволов, через которые они выпрыскивают ядовитую жидкость на своих врагов – муравьедов и муравьев. Эти «пушки» настолько длинны, что термиты-солдаты не могут есть самостоятельно и полностью зависят от питательных веществ, которые получают от рабочих термитов или от бактерий из воздуха. В некоторых термитниках этого вида можно обнаружить большое число этих беспомощных солдат; в других колониях их очень мало. Сэм хотела проверить гипотезу о том, что при повторяющихся набегах муравьедов число особей-солдат увеличивается. Сделать это было довольно легко: просто имитировать нападение муравьеда на одни термитники, не трогая другие. Это и было моей задачей. Вооружившись мачете, я день за днем ходил от одного термитника к другому.
Для мальчишки, каким я втайне оставался в свои 20 лет, такая работа – предел мечтаний. Я бродил по лесу, то и дело пуская в ход мачете. Для молодого ученого – лучше не придумаешь. За работой я вел с Сэм разговоры о науке, пока она не уставала. За ланчем и ужином досаждал своими расспросами другим ученым. Когда вокруг не оставалось никого, кто мог бы отвечать мне, отправлялся на прогулку. Ночами я бродил по лесным тропинкам с фонариком и налобной лампой (еще один фонарь был в резерве). Ночной лес был полон звуков и запахов жизни, но видеть я мог лишь то, на что падал свет моих ламп[37]. Казалось, что свет, выхватывая из тьмы животных, сам создавал их. Я учился различать блеск глаз змей, лягушек и млекопитающих, опознавать спящих птиц по их силуэтам. Учился терпеливо присматриваться к листве и стволам деревьев, где таились гигантские пауки, катидиды[38] и насекомые, мимикрирующие под птичий помет. Порой мне удавалось уломать одного немецкого зоолога, чтобы он позволил сопровождать его на ночную охоту за летучими мышами с помощью сети. У меня не было прививки от бешенства, но его это ничуть не беспокоило. Меня – в мои 20 лет – тоже. Он учил меня различать рукокрылых. Так я познакомился с нектароядными, насекомоядными и плодоядными их видами. Попадался мне и питающийся птицами большой листонос (Vampyrum spectrum), такой огромный, что мог проделать дыру в ловчей сети. Мои наблюдения, хотя и разрозненные, позволили мне начать строить некоторые гипотезы. Мне нравилось думать, что мы еще не узнали большую часть того, что нам предстоит. Мне нравилось, что открытия поджидают нас чуть ли не под каждым бревном или листом, стоит лишь запастись терпением.
К концу моего пребывания в Коста-Рике Сэм доказала с моей помощью, что в колониях термитов, чаще подвергавшихся атакам мачете, действительно появлялось больше особей-солдат[39]. Исследование закончилось, но полученный опыт сильно повлиял на меня. В следующие десять лет я побывал в Боливии, Эквадоре, Перу, Австралии, Сингапуре, Таиланде, Гане и в других странах, исходил тропические леса вдоль и поперек, словно пытаясь выткать единое большое полотно. Хотя я всегда возвращался в умеренный пояс – в Мичиган, Коннектикут или Теннесси, но раз за разом кто-нибудь предлагал отличную возможность: бесплатный авиаперелет, важное задание, полный пансион – и я внезапно опять оказывался в джунглях. Со временем такую же радость открытия, что и в дождевом тропическом лесу, я стал испытывать в самых разных местах, будь то пустыни, леса умеренного пояса и даже городские дворы. Интерес к последним возник с приходом в мою лабораторию нового студента по имени Бенуа Генар. Бенуа очарован муравьями. Приехав в Роли (столицу штата Северная Каролина), он без устали гонялся за ними по окрестным лесам. Это закончилось тем, что Бенуа отыскал такой вид, который ни он, ни я не смогли определить. Оказалось, что это чужеродный вид – азиатский муравей-игла, или Brachyponera chinensis[40]. Он расплодился в Роли, но умудрялся оставаться никем не замеченным. Исследуя этот вид, Бенуа обнаружил у него поведение, никогда прежде не наблюдавшееся у насекомых. Например, когда рабочий муравей-фуражир находит пищу, он не прокладывает к ней пахучую феромонную дорожку, как это делают другие виды. Нет, он возвращается в муравейник, хватает в охапку другого фуражира и, притащив его прямо к своей находке, бросает оземь: «Здесь еда!»[41] Чтобы изучить повадки этого муравья на его родине, Бенуа отправился в Японию. Там он обнаружил совершенно новый вид муравьев, родственный Brachyponera chinensis и вполне обычный на большей части юга Японии даже в городах и их окрестностях[42], но до сих пор не описанный. И это было только начало…
Примерно в то же время в нашу лабораторию в Роли пришла новая студентка, Кэтрин Дрисколл, которая хотела изучать тигров. Но ни я, ни Бенуа такими исследованиями не занимаемся. Вместо этого я предложил Кэтрин взяться за поиски и изучение «тигрового муравья», Discothyrea testacea. Правда, мы ей не сказали, что сами только что придумали название «тигровый муравей» для этого вида и что никто и никогда еще не находил его муравейник. Кэтрин отправилась на поиски. Я рассчитывал, что неудача ее разочарует, и она переключится на какой-нибудь другой объект. Ничуть не бывало! Кэтрин отыскала «тигровых муравьев», более того, она нашла их не где-нибудь, а в почве прямо возле здания, где расположены моя лаборатория и мой кабинет. В свои 18 она стала первым человеком, сумевшим увидеть живьем «царицу», или матку, Discothyrea testacea[43]. Вскорости мы начали даже привлекать совсем юных учеников к нашим поискам муравьев в городских дворах, и не только в Роли[44]. Мы разработали особый приборчик для детей, чтобы и они могли собирать муравьев около своих домов. Вскоре открытия посыпались одно за другим. Один восьмилетний натуралист отыскал азиатского муравья-иглу в Висконсине. Другой его сверстник – в штате Вашингтон. Никто и не подозревал, что этот вид успел распространиться за пределы юго-востока Соединенных Штатов.
Такая работа с привлечением детей к исследованию окрестных муравьев стала предвестником перемен в нашей лаборатории. Мы стали чаще обращаться за помощью к широкой публике. Поначалу это были десятки, потом сотни, а вскоре уже тысячи людей, готовых делать открытия там, где они живут. Вслед за этими открытиями – открытиями, сделанными в сотрудничестве с непрофессионалами, – мы постепенно перешли к изучению домашних обитателей. Поиски новых видов и неизвестных форм поведения вместе с нашими помощниками были тем более увлекательны, что они непосредственно касались повседневной жизни каждого. Мы как бы напоминали людям, что окружающий их мир хранит еще немало тайн. Я хотел верить, что мы дарим им такие же волнующие ощущения как те, что я, 20-летний, испытывал в джунглях Коста-Рики. О, если бы я знал тогда, как много нового можно обнаружить и в моем родном Мичигане! И вот мы подумали, что для наших добровольных помощников было бы еще интереснее совершать такие же открытия там, где они проводят большую часть своего времени, – в «джунглях» собственных жилищ.