В земных ледниках пробуждаются опасные болезни

На протяжении истории нашей планеты люди сосуществовали с бактериями и вирусами. Мы искали способы противостоять бубонной чуме и оспе, а они в ответ искали способы нас заражать. Вот уже почти сто лет мы пользуемся антибиотиками, с тех пор как Александр Флеминг открыл пенициллин. В ответ на это бактерии обзавелись устойчивостью к антибиотикам. Битве нет конца. Мы проводим так много времени с патогенами, что по очереди заводим друг друга в тупик. Однако что произойдет, если мы внезапно столкнемся со смертельными бактериями и вирусами, которых не встречали уже тысячи лет либо не видели никогда?

Возможно, мы скоро это узнаем. Изменения климата выливаются таянием вечномерзлых почв, которые были заморожены в течение тысяч лет, и по мере таяния почв выходят древние вирусы и бактерии, которые оживают и возвращаются к жизнедеятельности.

В августе 2016 года в далеком уголке сибирской тундры, на полуострове Ямал, умер 12-летний мальчик и не менее двадцати человек были госпитализированы после заражения сибирской язвой.

Было выдвинуто предположение, что более 75 лет назад олень, зараженный сибирской язвой, умер и его замороженный скелет оказался в ловушке под слоем мерзлой почвы, под вечной мерзлотой. Там он оставался до лета 2016 года, когда из-за сильной жары вечная мерзлота оттаяла. Тем самым выпустила труп оленя и инфекцию сибирской язвы в ближайшие воды и почвы, а после и в продовольственный запас. Люди оказались под угрозой.

Страшно то, что это может быть не одиночный случай.

Земля нагревается и оттаивает больше вечной мерзлоты. При нормальных условиях поверхностные слои вечной мерзлоты глубиной около 50 сантиметров подтаивают каждое лето. Но глобальное потепление постепенно обнажает старые слои мерзлоты.

Замерзшая многолетняя почва — идеальное место для того, чтобы бактерии оставались живыми в течение длительных периодов времени, возможно, миллионы лет. Это означает, что тающий лед потенциально может открыть ящик Пандоры с болезнями.

Температура в полярном круге быстро растет, примерно в три раза быстрее, чем в остальном мире. Наружу могут выйти и другие инфекционные агенты.

«Вечная мерзлота — отличный хранитель микробов и вирусов, потому что она холодная, темная и в ней нет кислорода», говорит эволюционный биолог Жан-Мишель Клавери из Экс-Марсельского университета во Франции. «Патогенные вирусы, которые могут заражать животных и растения, могли храниться в старых вечномерзлых слоях почвы, включая и те, что вызывали глобальные эпидемии в прошлом».

Только в начале 20 века более миллиона северных оленей погибли от сибирской язвы. На севере не так-то просто выкопать глубокие могилы, поэтому большинство этих туш похоронили близко к поверхности, в 7000 разбросанных захоронениях на севере России.

Людей и животных хоронили в вечных мерзлотах сотнями лет, поэтому вполне возможно, что наружу могут выйти и другие инфекционные агенты. К примеру, ученые обнаружили фрагменты РНК вируса испанского гриппа в трупах, массово захороненных в тундре Аляски. Оспа и бубонная чума тоже захоронены в Сибири. В исследовании 2011 года Борис Ревич и Марина Подольная писали: «В результате таяния вечной мерзлоты векторы смертельных инфекций 18 и 19 веков могут вернуться, особенно вблизи кладбищ, где хоронили жертв этих инфекций».

В 1890-х годах в Сибири прошла серьезная эпидемия оспы. Один город потерял до 40% своего населения. Тела были захоронены под верхним слоем вечной мерзлоты на берегу реки Колымы. Через 120 лет наводнения Колымы начали разрушать берега, и таяние вечной мерзлоты ускорило этот процесс эрозии.

В проекте, который начался в 1990-х годах, ученые из Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии в Новосибирске изучили остатки людей каменного века, обнаруженных в южной Сибири, в районе Горного Алтая. Они также изучили образцы из трупов людей, которые умерли во время вирусных эпидемий в 19 веке и были захоронены в вечной мерзлоте России.

Ученые говорят, что нашли тела с язвами, характерными для следов оспы. Хотя они и не обнаружили сам вирус оспы, они обнаружили фрагменты ДНК.

Конечно, это не первый случай, когда бактерии, замороженные во льду, снова оживают.

В исследовании 2005 года ученые NASA успешно возродили бактерии, заключенные в замороженном пруду на Аляске в течение 32 000 лет. Микробы под названием Carnobacterium pleistocenum были заморожены со времен плейстоцена, когда шерстяные мамонты все еще бродили по Земле. Как только лед растаял, они снова начали плавать как ни в чем не бывало.

Два года спустя ученым удалось возродить бактерию возрастом 8 миллионов лет, которая спала во льду под поверхностью ледника в долинах Бикон и Маллинз в Антарктиде. В то же исследовании бактерий восстановили из льда, которому было более 100 000 лет.

Однако не все бактерии могут вернуться к жизни после замораживания в вечной мерзлоте. Бактерии сибирской язвы могут это сделать, потому что образуют чрезвычайно выносливые споры, которые могут жить в замороженном состоянии очень долго.

Другие бактерии, которые могут образовывать споры, а значит и выживать в вечной мерзлоте, включают столбняк и Clostridium botulinum, ответственную за ботулизм: редкое заболевание, которое может вызвать паралич и привести к смерти. Некоторые грибы также могут выжить в вечной мерзлоте в течение длительного времени.

Некоторые вирусы также могут выживать в течение длительных периодов времени.

В исследовании 2014 года ученые под руководством Клавери возродили два вируса, захваченные вечной мерзлотой Сибири на 30 000 лет. Известные как Pithovirus sibericum и Mollivirus sibericum, они считаются «гигантскими вирусами», потому что в отличие от большинства вирусов они настолько велики, что их можно увидеть под обычным микроскопом. Их нашли на глубине 30 метров в прибрежной тундре.

Сразу после возрождения вирусы стали заразными. К счастью для нас, конкретно эти вирусы заражают только одноклеточные амебы. Тем не менее исследование предполагает, что другие вирусы, которые могут заражать людей, тоже могут быть возрождены.

Более того, глобальное потепление необязательно должно плавить вечные мерзлоты, чтобы представлять угрозу. Поскольку арктический морской лед тает, северный берег Сибири становится легче достичь по морю. Очевидно, становится более выгодным промышленное его освоение, включая добычу золота и минералов, бурение нефтяных скважин, добыча природного газа.

«В настоящий момент эти районы пусты, а глубокие слои вечной мерзлоты никто не трогает», говорит Клавери. «Но эти древние слои можно достать в процессе раскопок и буровых работ. Если жизнеспособные вирионы там все еще живут, это будет катастрофа».

Гигантские вирусы могут стать наиболее вероятными виновниками вирусной вспышки.

«Большинство вирусов быстро инактивируются вне клеток-хозяев из-за света, высыхания или спонтанной биохимической деградации», говорит Клавери. «Например, если их ДНК повреждена и восстановлению не подлежит, вирусы перестают быть заразными. Однако среди известных вирусов гигантские вирусы, как правило, очень прочные и стойкие».

Клавери говорит, что могут проявиться вирусы от самых первых людей, населявших Арктику. Мы могли бы даже увидеть вирусы давно вымерших видов гоминид вроде неандертальцев и денисовцев, которые обосновались в Сибири и подвергались воздействию различных вирусных заболеваний. В России находили останки неандертальцев возрастом 30-40 000 лет. Популяции людей жили там, болели и умирали тысячи лет.

«Возможность того, что мы можем заразиться вирусом от давно исчезнувшего неандертальца, предполагает, что мысль о том, что вирус можно «искоренить» с планеты, неверна и дает нам ложное чувство безопасности. Вот почему запасы вакцины должны храниться на всякий случай».

С 2014 года Клавери анализирует содержание ДНК в многолетней мерзлоте в поисках генетической сигнатуры вирусов и бактерий, которые могут инфицировать людей. Он нашел множество бактерий, которые могут быть опасны для людей. У бактерий есть ДНК, которая кодирует факторы вирулентности: молекул, которые производят патогенные бактерии и вирусы, которые увеличивают их способность заражать хозяина.

Команда Клавери также обнаружила несколько последовательностей ДНК, которые, кажется, взялись от вирусов, включающих герпес. Но следов оспы пока не нашли. По очевидным причинам они не пытались возродить какой-либо из патогенов.

Вполне может быть, что патогены, от которых уже отвыкли люди, могут проявиться и в других местах, а не только из льда или вечной мерзлоты.

В феврале 2017 года ученые NASA заявили, что нашли микробов возрастом 10-50 000 лет в кристаллах в мексиканской шахте. Эти бактерии были расположены в Пещере Кристаллов, части шахты в Найце в северной Мексике. Пещера содержит много молочно-белых кристаллов минерального селенита, который образовался за сотни тысяч лет.

Бактерии были заперты в маленьких, жидких карманах кристаллов, но как только их вытащили, они возродились и начали размножаться. Эти микробы генетически уникальны и вполне могут быть новыми видами, но ученые пока не опубликовали свою работу.

В пещере Лечугилья в Нью-Мексико, в 300 метрах под землей нашли еще более старых бактерий. Эти микробы не видели поверхности более 4 миллионов лет. Пещера никогда не видела солнечного света и была изолирована в течение 10 000 лет от поверхностных вод.

Несмотря на это, бактерии каким-то образом оказались устойчивы к 18 типам антибиотиков, включая препараты, которые считались «последним барьером» в борьбе с инфекциями. В исследовании, опубликованном в декабре 2016 года, ученые обнаружили, что бактерии, известные как Paenibacillus sp. LC231, были резистентны к 70% антибиотиков.

Поскольку бактерии оказались полностью изолированы в пещере в течение четырех миллионов лет, они не вступали в контакт с людьми или антибиотиками, которыми мы лечим инфекции. Выходит, их устойчивость к антибиотикам появилась как-то иначе.

Ученые считают, что бактерии, которые не наносят вред людям, среди многих других вырабатывают естественную устойчивость к антибиотикам. То есть эта самая устойчивость к антибиотикам существует в течение миллионов или даже миллиардов лет.

Очевидно, такая антибиотикорезистентность не могла развиться в клинике в процессе использования антибиотиков.

Причиной этого является то, что многие виды грибов и даже другие бактерии естественным образом производят антибиотики, чтобы получить конкурентное преимущество перед другими микробами. Именно так Флеминг впервые обнаружил пенициллин: бактерии в чашке Петри умерли после загрязнения вырабатывающими антибиотики плесневыми грибами.

В пещерах, где мало еды, организмы должны быть безжалостными, если хотят выжить. Бактерии вроде Paenibacillus, возможно, должны были развить устойчивость к антибиотикам, чтобы избежать смерти от конкурирующих организмов.

Это объясняет, почему бактерии устойчивы только к естественным антибиотикам, которые поступают от бактерий и грибов, и составляют около 99,9% всех используемых нами антибиотиков. Бактерии никогда не сталкивались с искусственными антибиотиками, поэтому не имеют к ним сопротивления.

«Наша работа и работа других людей свидетельствует о том, что устойчивость к антибиотикам не является чем-то новым», говорит микробиолог Хейзел Бартон из Университета Акрона, штат Огайо, руководивший исследованием. «Наши организмы были изолированы от поверхностных видов на протяжении 4-7 миллионов лет, но устойчивость, которую они имеют, генетически идентична той, что обнаружена у поверхностных видов. Это значит, что эти гены как минимум такие же старые и появились не из-за того, что люди начали применять лечение антибиотиками».

Хотя Paenibacillis не вреден для человека, в теории он может передать свою антибиотикорезистентность другим патогенам. Но поскольку он изолирован под 400 метрами пород, это кажется маловероятным.

Тем не менее природная антибиотикорезистентность к антибиотикам, вероятно, так распространена, что многие из бактерий, выходящих из тающей вечной мерзлоты, могут уже ею обладать. В подтверждение этого в исследовании 2011 года ученые извлекли ДНК из бактерий, обнаруженных в вечной мерзлоте возрастом 30 000 лет в Беринговом море. Они нашли гены, кодирующие устойчивость к бета-лактамным, тетрациклиновым и гликопептидным антибиотикам.

Есть мнение, что риск появления болезнетворных микробов из вечной мерзлоты по своей сути непознаваем, поэтому и переживать не стоит. Вместо этого мы должны сосредоточиться на более явных угрозах изменения климата. Например, по мере потепления Земли северные страны могут стать более восприимчивыми к вспышкам «южных» болезней вроде малярии, холеры и лихорадки денге, поскольку их патогены процветают в теплоте.

Еще есть мнение, что не стоит игнорировать риски, когда мы не можем их количественно оценить.

«Существует ненулевая вероятность того, что патогенные микробы могут возродиться и заразить нас», говорит Клавери. «Насколько вероятно это, пока неизвестно, но вероятно. Возможно, эти бактерии можно будет излечить при помощи антибиотиков, резистентных бактерий, вируса. Если патоген не был в контакте с людьми в течение длительного времени, иммунная система будет не готова. Так что опасность есть».