Не похоже, чтобы легочные заболевания шли на спад, как не идут на спад пугающе высокие уровни курения и ухудшение качества воздуха, вызванное изменением климата и загрязнением окружающей среды. Еще более тревожит то, что в последнее время в прессе появляется все больше сообщений о кризисных ситуациях, угрожающих дыханию и легким, от смертоносных лесных пожаров в Калифорнии, Амазонии и Австралии до странного респираторного заболевания, вызываемого вейпингом, и, разумеется, до опустошительной вспышки коронавируса в 2020 г., остановившей мировую экономику и унесшей жизни сотен тысяч людей[1]. Эти катастрофы показывают, что мы недостаточно серьезно относимся к потенциальным угрозам воздуху, которым мы дышим.
В ответ на эти сложные проблемы некоторые изобретательные врачи, ученые и правозащитники изо всех сил стремятся найти способы не допустить развития легочных заболеваний и способы лечить их. Мы уже столько знаем о генетике, биологии и медицине, что сейчас самое подходящее время находиться на переднем крае этой борьбы или, если уж так вышло, быть пациентом с заболеванием легких. Рассказанные в этой книге истории иллюстрируют уникальность текущего момента, показывая, какой путь мы уже прошли к пониманию легких, а также указывая путь к светлому будущему.
Часть I
Прошлое:
Легкие определили наши истоки физически и духовно
Глава 1
Кислород, а потом жизнь
История нашей потребности в дыхании началась миллионы лет назад. Поскольку биологическая жизнь каждого человека включает зачатие, внутриутробный период, а также молодость, зрелость и старость, то же самое можно сказать и о самой Земле. Подобно тому, как младенец, приходящий в этот мир, может жить и развиваться, только когда освоит дыхание, расцвет на Земле начался, только когда возникло подобие дыхания и жизнь начала использовать кислород.
Земля не всегда имела кислород в своей атмосфере. Газы, содержащиеся в первой атмосфере, были бы токсичны для большинства из ныне живущих видов. Но появившийся кислород радикально изменил мир. И что удивительно, только в 1970-х гг. мы узнали, как кислород впервые окутал нашу планету.
Вселенная, а именно вся материя, которую мы видим перед собой в форме звезд, планет и всего остального, что содержится в наблюдаемом пространстве, как полагают, возникла около 14 млрд лет назад. Практически наверняка в одно мгновение после Большого взрыва вся прошлая и настоящая материя Вселенной ворвалась в пространство и заполнила космос. Постепенно отдельные части Вселенной расширялись и охлаждались, при этом вспышки сверхновых порождали разные солнечные системы, а остающиеся после взрывов газовые туманности конденсировались в твердую материю{17}.
Наша собственная Солнечная система сформировалась около 4,5 млрд лет назад. Наши соседние планеты, по сути, представляют собой каменистые массы, но Земля разительно отличается. На снимке, сделанном из космоса, она оправдывает свое название «Голубая планета» прохладное, безмятежное сочетание вод глубоких синих океанов и вихрей белоснежной атмосферы. Она резко контрастирует с суровостью соседнего Марса, Красной планеты, или нашей собственной Луны, белой и бесплодной.
Но при образовании Земли на ней не было прекрасных океанов, роскошных зеленых пейзажей и компромиссов эволюции, жизни и смерти. В течение первых 4 млрд лет существования, когда Землю бросало то в жар, то в холод, ее атмосфера представляла собой токсичную смесь азота и углекислого газа. И в первые 2 млрд лет в ее атмосфере не было абсолютно никакого кислорода.
Кислород так важен, потому что способен эффективно генерировать энергию. Организмы получают энергию из молекул, называемых аденозинтрифосфат (АТФ), которые образуются в результате клеточного дыхания. Без кислорода клетки все равно могут производить в процессе анаэробного окисления всего лишь жалкие две единицы АТФ из каждой молекулы сахара. Это очень неэффективно по сравнению с кислородным метаболизмом, благодаря которому клетки могут производить 36 единиц АТФ из каждой молекулы сахара. Обладая этими дополнительными единицами энергии, организмы способны вырастать более крупными, бегать быстрее и прыгать выше. Без кислорода единственными подвижными живыми организмами были бы анаэробы, крошечные существа, не выдерживающие никакой конкуренции с потребителями кислорода в нашем мире.
Таким образом, в течение первых нескольких миллиардов лет существования Земли на ней не было ни растений, ни животных. Океаны появились на Земле вскоре после ее образования, когда планета охлаждалась и водяные пары в атмосфере конденсировались, но единственной жизнью, которая могла в них обитать, были маленькие одноклеточные анаэробные микроорганизмы. Затем, около 2,5 млрд лет назад, атмосфера начала постепенно наполняться кислородом. Потребовалось много времени на то, чтобы его концентрация достигла значимого уровня, но наконец около миллиарда лет назад поглотители кислорода на Земле, в основном отложения железа в скальных породах, оказались насыщены им. После этого кислород начал накапливаться в атмосфере и океанах. Этот переломный момент, названный кислородной катастрофой, форсировал взрывное развитие жизни около 600 млн лет назад появились морские растения, а позднее губки, моллюски, рыбы и, наконец, наземные растения и развитые формы жизни{18}.
Однако долгое время не было ответа на один вопрос: откуда взялся весь этот кислород? Наверное, для того чтобы совершенно новый газ преобразовал планету таким уникальным образом, должно было произойти нечто масштабное. История о том, как мы начали понимать, откуда взялся кислород и как он изменил мир, это необыкновенная история об упорном труде, внимательных наблюдениях и удаче (комбинация, которая, вероятно, применима ко многим научным открытиям, а может и к большинству). Это также история, которая просто не очень хорошо известна, а должна быть.
Джон Уотербери рос в долине реки Гудзон в штате Нью-Йорк, но лето он проводил в прибрежном городке Веллфлит на полуострове Кейп-Код в штате Массачусетс. Там в начале 1960-х гг. Уотербери бродил по просторам дюн, образующих протяженные пляжи, и смотрел на изумрудные воды Атлантики. Томясь на берегу, он стал выходить в океан на своей гоночной парусной яхте класса «Лайтнинг». Окруженный соленым океаном, на яхте, скользящей по вздымающимся волнам у полуострова Кейп-Код, он был переполнен ощущением чуда{19}.
Кислородная катастрофа: история образования атмосферных газов[2]
Первым этапом академической подготовки Уотербери был Вермонтский университет, где он защитил диссертацию по зоологии в 1965 г. По окончании учебы его выбор сузился до всего двух вариантов. В Океанографическом институте в Вудс-Холе, Массачусетс, всего в 40 милях от его летнего дома в Веллфлите на Кейп-Коде, требовался исследователь. А если бы он не остался в науке, его ждал воинский призыв и возможная командировка во Вьетнам. Неудивительно, что Уотербери выбрал Вудс-Хол. Он провел там четыре года, изучая нитрифицирующие бактерии, маленькие организмы, которые переваривают азотсодержащие вещества. Впоследствии он поступил в аспирантуру Калифорнийского университета в Беркли и провел несколько лет в Париже. Он вернулся в Океанографический институт в Вудс-Холе в 1975 г. и больше не покидал его. В Вудс-Холе Уотербери открыл, как Земля превратилась из планеты без кислорода, населенной только микроскопическими организмами, в планету с кислородом, изобилующую жизнью всевозможных размеров{20}.
Во время аспирантуры в Беркли Уотербери увлекся цианобактериями, микроорганизмами, про которые было известно, что они обитают в пресной воде. Эти организмы, которых чаще называют синезелеными водорослями, обладают свойствами, больше похожими на свойства растений, чем на свойства бактерий. Главным из этих необычных свойств является способность использовать фотосинтез превращать углекислый газ и воду в кислород и углеводы. Но в 1970-х гг. главным образом считалось, что цианобактерии заселяют лишь небольшие пресноводные водоемы и не играют большой роли в процессе производства кислорода на Земле. Их обсуждали только в узком академическом кругу, а в основных учебниках по океанографии о них вообще не упоминалось.
После защиты докторской диссертации Уотербери устроился на работу научным сотрудником в Океанографический институт. В то время основной задачей в этой области было изучение океанических бактерий, о которых мало что было известно. Полевая работа была обычной частью исследований, и в августе 1977 г. Уотербери отправился на научно-исследовательском судне Atlantis II в Аравийское море регион океана между Индией и Саудовской Аравией, известный очень высоким содержанием неорганических питательных веществ и богатый морскими обитателями. Задачей его группы был анализ проб из океана с использованием новой технологии: эпилюминесцентной микроскопии. С помощью этой новой методики планировалось определить типовые уровни содержания известных бактерий в океане.
Принципы эпилюминесцентной микроскопии простые. К пробе воды добавляются флюоресцентные метки, состоящие из строительных блоков ДНК. Эти метки прикрепляются к соответствующим частям ДНК бактерий, как фрагменты пазла, подходящие друг к другу. Под микроскопом, при облучении синим светом, благодаря прикрепленным меткам эти бактерии начинают флюоресцировать зеленым цветом. Если подходящие бактерии отсутствуют, метки не будут активированы и в микроскоп ничего не будет видно.
Прежде чем добавить метки ДНК к пробам воды из Аравийского моря, Уотербери сделал то, чему учат на всех занятиях по естествознанию, и это обязательный этап при любом эксперименте, на любом уровне науки, от опытов в классе средней школы до лабораторных исследований, за которые дают Нобелевскую премию: он установил строгий контроль, чтобы гарантировать достоверность результатов. Ученые знают, что контрольные группы основа всех открытий. Чтобы найти что-то аномальное, нужно уметь видеть и доказывать существование того, что считается нормальным. Поэтому, перед тем как добавлять метки ДНК, Уотербери проанализировал образец воды из Аравийского моря под новым эпилюминесцентным микроскопом, чтобы иметь исходные данные для сравнения.
Уотербери предположил, что не увидит ничего необычного в воде Аравийского моря, но был поражен. Синий свет эпилюминесцентного микроскопа прошел сквозь воду, и в окуляре вспыхнуло ярко-оранжевое флюоресцентное свечение. Уотербери раньше изучал цианобактерии и понял, что этот оранжевый свет был естественной флюоресценцией фикоэритрина, фотосинтетического пигмента, который совместно с хлорофиллом запускает важнейшую реакцию распада двуокиси углерода на кислород и углерод, делающую возможной жизнь на нашей планете. Прежде никому не было известно, что цианобактерии могут существовать в глубоководных соленых водоемах, поэтому это была колоссальная находка.
Открытие существования цианобактерий в Аравийском море было только началом, но Уотербери знал, что, для того чтобы детально изучить морские цианобактерии, ему придется выращивать бактериальные культуры. Он пытался в течение нескольких месяцев, всякий раз используя новую среду и разные питательные вещества, чтобы добиться репликации цианобактерий. Но всякий раз происходило одно и то же в течение суток все клетки погибали. Без культивирования изучать морские цианобактерии было бы невозможно. Чтобы добиться успеха, Уотербери пришлось вернуться к базовой биологии окружающей среды.
Океанические и пресноводные организмы ведут себя совершенно по-разному. Обычно мы думаем, что океанские существа выносливы и хорошо приспосабливаются, а океан суровое и дикое место. Пресноводные водоемы, наоборот, кажутся спокойными и идиллическими, там нет акул, скатов и смертельных медуз. Такова человеческая точка зрения. С точки зрения бактерий все наоборот.
Среды обитания пресноводных и морских бактерий разительно отличаются. Во внутренних пресноводных водоемах температура, а также количество питательных веществ и минералов могут сильно колебаться. Кроме того, летом и зимой в пресноводной среде создаются очень разные условия жизни, и в зависимости от сезона там часто обитают очень разные виды. По сравнению с этими водоемами обстановка в океане исключительно стабильна. Перепады температур намного меньше, чем во внутренних водоемах, а состав питательных веществ в микроокружении гораздо более постоянный. Бактерии, процветающие в пресноводной среде, то, что ученые-океанологи называют «эвтрофы», это организмы, способные жить в условиях изобилия питательных веществ и при сильных колебаниях температуры. Для морских бактерий, «олиготрофов», требуются более низкие уровни основных питательных веществ. Так что, хотя нам это кажется контринтуитивным, морские бактерии более чувствительны, более уязвимы, чем их пресноводные родичи.
В том беспокойном году Уотербери начал это понимать. Он тщательно отмывал все колбы для культур и пробирки, следя за тем, чтобы в них не оставалось даже микроскопического количества кальция или иного вещества. Затем он калибровал питательную среду, чтобы она точно соответствовала тем наноколичествам питательных веществ, которые он измерял в океанской воде. Наконец, через год кропотливой работы, и к радости Уотербери, цианобактерии из океана впервые начали расти за пределами своей естественной среды обитания. Открытие вида Synechococcus официально состоялось.
Остались следующие вопросы: сколько этих бактерий и какова их среда обитания? С дальнего конца деревянной пристани в Вудс-Холе Уотербери набрал в несколько банок соленой воды, немного мутной, но в остальном ничем не примечательной. Он поместил образец под эпилюминесцентный микроскоп и увидел изобилие цианобактерий.
В следующие десять лет наблюдался взрывной рост количества исследований цианобактерий. Почти в каждом уголке океана на Земле были выявлены сотни различных видов. Теперь мы знаем, что синезеленые водоросли населяют любой водоем с температурой выше 5 , обычно во внушительных количествах, настолько внушительных, что Уотербери называет их «эти зверюшки».
Сегодня считается, что кислородом в нашей атмосфере мы обязаны главным образом цианобактериям, так как численность их огромна, а среда обитания разнообразна. Они выделяют его в ходе фотосинтеза процесса, используемого растениями, водорослями и цианобактериями для превращения поглощаемого ими солнечного света в энергию. Первичной молекулой, улавливающей солнечный свет, является хлорофилл, молекула, которая использует энергию фотонов света для реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием глюкозы и кислорода. В ходе этой реакции фотосинтеза также выделяется энергия, которая помогает цианобактериям преобразовывать углекислый газ из атмосферы в питательный углерод, который сначала потребляется низшими формами жизни, а затем передается по пищевой цепочке. Этот процесс делает цианобактерии источником большой доли производимых питательных веществ на нашей планете. Они также ответственны за большую часть нефти, природного газа и угля на Земле, потому что все они образовались из отложений (мертвых цианобактерий), скапливавшихся на дне океана в течение миллионов лет. Группа цианобактерий и правда является самым многочисленным видом на Земле и одним из важнейших для жизни.