Глава 3 Модели эволюции микроба чумы

В популяциях живых организмов эволюция протекает во времени и пространстве и характеризуется процессами эктогенеза (взаимодействия с биотической и абиотической средой) и автогенеза (самоорганизации, саморегуляции) (Шмальгаузен, 1983; Шилов, 2001). Рассмотрим общие принципы эволюционного преобразования микроба псевдотуберкулеза в микроба чумы при смене среды обитания, то есть при переходе сапрозоонозного микроба в кровь грызунов (процесс эктогенеза). Континуум условий существования участвующих в эволюционном процессе микробов, от отдаленной предковой формы до современных, или от сапрофита до облигатных паразитов, назовем «эволюционным полем». Рассмотрим пути становления микроба чумы в эволюционном поле, какими их можно представить с позиций изложенных в предыдущих главах основных гипотез, построив для них матрицы по переменным «сапрофит — облигатный паразит» и «почва — грызун».

Классическая теория природной очаговости чумы. В рамках классической теории эволюционный переход предкового сапрофита из почвы в организм грызуна рассматривается в контексте общих представлений о происхождении паразитов из свободноживущих форм. Экологические аспекты этого перехода обсуждаются лишь на уровне домыслов, догадок, вербальных суждений и предположений с привлечением общих палеоклиматических сведений и палеобиологических данных, касающихся хозяев и в значительно меньшей мере — переносчиков (Ралль, 1958; Султанаев, 1960; Кучерук, 1965). Эволюционное поле в рамках этой теории можно представить в виде 4-клеточной матрицы.

Гипотезы факультативного паразитизма микроба чумы. Еще до оформления идеи о природной очаговости чумы в виде относительно стройной теории уже было принято понятие «факультативный паразит», широко использовавшееся А.Готштейном, И.Добрейцером, Е.Н.Павловским, В.Н.Беклемишевым, В.А.Догелем. Это понятие в заметной мере снимало трудности плавного перевода свободноживущих форм в облигатные паразитические. Введение В.И.Терских (1958) понятия «сапронозов» и его дальнейшая разработка в 1980–90-е годы создали предпосылки для конструирования теоретических моделей плавного преобразования микробов-сапрофитов в облигатных паразитов через ступень факультативных и/или фазовых (сапронозных, сапрозоонозных). В этом случае, как и в предыдущем, эволюционная матрица может быть представлена в виде 4-клеточной. Задача реконструкции преобразования псевдотуберкулезного микроба в чумной после обоснования концепции сапронозов заметно упростилась. Микроб чумы имеет очень тесное родство с микробом псевдотуберкулеза, что позволяет надежно выводить его образование именно из псевдотуберкулезного, как более специализированного паразита из менее специализированного.

В связи с кажущейся простотой объяснения межэпизоотического периода существованием в жизненном цикле возбудителя чумы сапрофитической фазы, сторонники этих гипотез a priori включают его в разряд факультативных (фазовых) паразитов, оставляя в стороне теоретические трудности, связанные с ауксотрофностью — характерным свойством облигатного паразита. Какая из фаз псевдотуберкулезного микроба — сапрофитическая или гостальная привела к возникновению микроба чумы — эти гипотезы не разъясняют.

Сальтационистские гипотезы. Макроэволюционную роль крупных мутаций обосновали известные генетики С.И.Коржинский, Г. Де Фриз, Р.Гольдшмидт. Сторонники их сальтационистских теорий видообразования полагают, что некоторые изменения генотипа могут приводить к радикальным одноактным преобразованиям фенотипа. Современные исследователи — Ю.П.Алтухов (1997), Н.Н.Воронцов (1999) и многие молекулярные генетики также допускают, что отдельные макроэволюционные события в редких случаях могут иметь сальтационный характер.

В отношении микроба чумы близких взглядов придерживается А.И.Дятлов (1989). С позиций его эклектической эволюционно-сальтационистской гипотезы эволюционное поле представляется уже 6-клеточной матрицей.

Признание микроба чумы рецентным ауксотрофным облигатным паразитом, произошедшим от прототрофного микроба псевдотуберкулеза (или ему подобного), привело автора к предположению о существовании видообразующего макромутационного скачка из одной среды — почвы — в другую, резко отличающуюся от исходной, — кровь грызуна. Сходной позиции радикального сальтационизма при конструировании гипотезы возникновения возбудителя чумы из кишечного микроба Salmonella gallinarumпридерживается Б.М.Сулейменов (2004).

Гипотеза М.Ахтмана предполагает возникновение чумного микроба из псевдотуберкулезного в древнеисторическое время в осваиваемой человеком долине Нила в популяциях нильской травяной мышиA. niloticus— гомойотермного животного с постоянной температурой тела около 37^оС и ее специфической блохиX.cheopis. Не углубляясь в аргументацию эколого-географических аспектов своих эволюционных построений, автор полагает, что синантропизация и увеличение плотности населения травяной мыши на орошаемых культивируемых полях привели к каким-то изменениям ее поведения, предопределившим устойчивое попадание микроба псевдотуберкулеза из пищеварительного тракта в кровь грызуна. В принципе, эволюционные преобразования кишечных обитателей в кровепаразитов известны. Многочисленные примеры среди Protozoa приводит В.А.Догель (1941). Но во всех таких случаях кишечный паразит обладает свойствами пинетрантности и инвазивности и обязательно внедряется в эпителиальную ткань пищеварительного тракта дифинитивного и/или промежуточного хозяина и далее — в более глубокие ткани. Пинетрантность не свойствена возбудителю псевдотуберкулеза, а фермент инвазин, обеспечивающий заражение теплокровного животного, синтезируется только во внешней органической среде при низких температурах. Этот микроб не относится к заразным, и теплокровное животное не может заразиться от себе подобного. В гипотезе М. Ахтмана свойство психрофильности возбудителя псевдотуберкулеза не обсуждается, что сразу рождает недоверие к экологическим построениям гипотезы.

С позиций этой гипотезы эволюционное поле, как и в предыдущем случае, представляется 6-клеточной матрицей .

Гипотеза центрально-азиатского происхождения микроба чумы в конце позднего плейстоцена. Биологическая эволюция — это последовательный процесс генетического закрепления у живых организмов адаптивных наследственных изменений, осуществляющийся обычно при относительно медленном изменении условий окружающей среды или при адаптивном переходе живого организма в другую среду обитания. Поэтому существует логическая необходимость в создаваемый нами эволюционный сценарий ввести понятие «промежуточная среда (= переходная среда, промежуточная зона, переходная зона)», которая характеризует медиум между почвой — средой сапрофитов и кровью — средой облигатных кровепаразитов. В вопросах происхождения чумы это понятие ранее не использовали, поэтому кратко изложим его суть.

Термин «промежуточная зона» широко использовал Дж. Симпсон (1948) при формулировании теории «квантовой эволюции» (макроэволюции) для объяснения закономерностей формирования новых высших таксонов, родов и выше. Этим термином он называет условия, промежуточные между адаптивной зоной предков и адаптивной зоной новообразованных потомков. По мнению Л.П.Татаринова (1987), во всех случаях эволюционного перехода из одной среды в другую, резко отличающуюся по своим условиям, ее освоение, будь то микробы, простейшие, насекомые или другие живые организмы, в том числе паразитические, идет в соответствии с лейбницевым «законом непрерывности» через промежуточную среду и через промежуточные формы.

Понятие «переходный тип» (= промежуточная форма) по отношению к организации животных встречается уже в работах естествоиспытателей XVIII–XIX веков — Бюффона, Ламарка, Сент-Илера, Лайеля. К.Бэр оперирует понятием «десцедентная форма» (от лат. descendo — перехожу). Более широко, в эволюционном лексиконе это понятие стал применять, по-видимому, Ч.Дарвин. В.О.Ковалевский — один из основоположников экологического подхода в палеонтологии, разрабатывая вопрос о конкурентоспособности предковой формы, отмечал, что такая форма очень редко сохраняется в условиях интенсивного видообразования: «Если мы имеем перед собой очень переходный тип, т.е. тип, представляющий очевидный переход от прежней менее выгодной организации к новой гораздо более выгодной, то организм никак не остановится на этой переходной ступени, но тотчас перейдет через нее, достигая более выгодного устройства, и в этом случае вся борьба со старыми менее приспособленными организмами выпадет не на долю переходной формы, но на долю тех еще более совершенных организмов, которые развились из нее или при ее посредстве». В макрогеологическом масштабе времени к переходной форме «рыба–амфибия» относят ихтиостегу (Ichthyostega); переходной форме «амфибия–рептилия» — сеймурию (Seymouria); «рептилия–птица» — проависа (отдаленно напоминающего археоптерикса — Archaeopteryx); к периходным формам «рептилии–млекопитающие» — синапсид (Synapsida).

Согласно Дж. Симпсону, адаптивные зоны представляют обобщенные экологические характеристики неких таксонов в терминах «жизненной формы» (или по С.С.Шварцу, 1969 — «адаптивного типа»). По определению С.А.Северцова (1936, 1937), в понятии «жизненная форма» внимание центрируется на особом, специфичном именно для определенной систематической группы, отношении к окружающей среде; отношении, зависящем от всей конституции и поведения животного, от типа его приспособлений, всей его предшествовавшей эволюции. Так как «жизненная форма» — экологическое понятие, то процессы эволюции с его использованием рассматриваются с точки зрения экологического критерия. Переход таксона в новую адаптивную зону (или стацию, по С.А.Северцову, 1936), проявляющийся в достаточно быстром изменении морфофизиологической организации и характера обмена веществ, то есть в смене жизненной формы, оценивается как процесс макроэволюции (Шварц, 1969, 1980; Северцов, 1981; Красилов, 1986). Причем постулируется, что адаптивные зоны относительно дискретны, не переходят друг в друга плавно, а разделены между собой промежутками экологической неустойчивости, иногда называемыми также интервалами нестабильности — инадаптивными промежуточными зонами (или зонами «смерти» по С.А.Северцову, 1936). Для «промежуточной зоны» характерно неустойчивое состояние эволюционирующей популяции, когда адаптации к условиям жизни предков утрачивают свое значение, а адаптации к новым условиям находятся в процессе формирования. Лишь немногие популяции немногих видов в исключительных случаях могут преодолеть эту зону «смерти» — «в прорыв идут штрафные батальоны...».

Пригодность новой адаптивной зоны зависит не только от ее физического наличия и близости к прежней зоне, но и от того, открыта ли она для новых обитателей. Она должна быть свободной или заселенной настолько редко или неполно, чтобы занятие ее не было сопряжено с интенсивной межвидовой борьбой за существование (некогерентная среда по В.А.Красилову, 1969; stressed или species-poor environments по Lewin, 1983; disturbed habitat по Hoffman, Parsons, 1997). Это особенно важно потому, что небольшие неустойчивые популяции, типичные для переходной стадии, особенно подвержены вымиранию и непригодны для жесткого соперничества при встрече с популяциями, занимающими эту зону. Путь преодоления инадаптивной зоны в различных гипотезах представляется как плавный постепенно-равномерный, градуальный или как скачкообразный, прерывистый. Последний, в свою очередь, рассматривают как одноактный, сальтационный, макромутационный или как мелко- или умеренно ступенчатый, пунктуальный. Радикальный сальтационизм (мутационизм) не находит широкой поддержки у современных эволюционистов, по меньшей мере у тех, кто изучает высшие живые организмы, а вопрос о соотношении градуализма и пунктуализма в формировании как отдельных признаков, так и цельных таксонов современной теорией эволюции пока еще окончательно не решен (Назаров, 1991; Левченко,1993; Holmes et al., 1995; Hoffman, Parsons, 1997).

По мнению Н.Н.Воронцова относительно споров о дарвиновской и «недарвиновской» эволюции, эти понятия взаимно не противоречивы (Воронцов, 2004). Градуализм и пунктуализм связывает принцип дополнительности, и их не следует противопоставлять друг другу. Такого же взгляда в вопросах эволюции ценозов придерживается В.В.Жерихин (2003).

В споре градуалистов и пунктуалистов ключевым вопросом остается роль в эволюционном процессе геномных перестроек различного уровня. Причем существенно, проходил ли этот эволюционный процесс в насыщенной биотической среде с плотной «упаковкой» реализованных экологических ниш и адаптивных зон или в обедненной — с множеством свободных ниш. Сейчас все в большей мере устанавливается мнение о совместном участии в создании новых таксономических форм широкого спектра мутаций разного масштаба, от точечных до максимально крупных, которые в состоянии поддержать естественный отбор (Levin, Bergstrom, 2000; Zhou et al., 2004c). По мнению В.В.Жерихина (2003) и многих других исследователей, крупные мутации, могут закрепиться только в обедненной среде. В отношении чумного микроба этот вопрос мы более подробно рассматриваем в последующих главах.

Как неоднократно отмечалось выше, микроб псевдотуберкулеза — факультативный (более точно — фазовый) паразит, микроб чумы — облигатный паразит крови. Граница между факультативными и облигатными паразитическими микроорганизмами вполне определенна: факультативные паразиты, помимо организма хозяина, обитают во внешней среде, размножаются в ней, тогда как для облигатных паразитов внегостальная среда является «кладбищем» (Громашевский, 1965; Литвин, 1976). Отказываясь от гипотезы одноактного «сальтационного скачка» факультативного паразита в облигатного, введем в эволюционную матрицу еще две грады: «промежуточная среда» и «промежуточная форма», после чего она становится 12-клеточной.

Следуя нашим построениям, задача выяснения эволюционного пути микроба чумы может быть решена на основе экологического подхода — поиска и описания той «промежуточной экологической среды», в которой проходило преобразование псевдотуберкулезного микроба 1-го (O:1b) серологического типа в микроба чумы через промежуточные формы. Для реставрации такого преобразования в рассматриваемом эволюционном поле необходимо плавно (градуально) или ступенчато (пунктуально) «перевести» психро- и гигрофильного возбудителя сапрозооноза из какого-то «природного холодильника» в паразита крови теплокровных. В этом случае промежуточная среда должна представлять собой достаточно продолжительный во времени и пространстве температурный континуум в пределах примерно 5–37^оС (размножение возбудителей псевдотуберкулеза и чумы может проходить в широком температурном диапазоне — 0–40^оС; псевдотуберкулезный микроб интенсивно размножается и синтезирует инвазин в органике внешней среды и в блохах при 4–8^оС).

Из известных в мире основных хозяев микроба чумы условиям «промежуточной среды» с градиентом температур 5–37^оС удовлетворяют только гетеротермные зимоспящие ландшафтообразующие животные, на которых круглогодично паразитируют блохи. Это могут быть сурки, суслики и луговые собачки. Луговые собачки обитают в Северной Америке и болеют «крысиной», то есть завозной чумой. В их популяциях чумной микроб не мог проходить эволюционный путь.

Известно, что эпизоотическая напряженность природных очагов псевдотуберкулеза создается в местах с повышенной плотностью населения животных: на лежбищах морских животных, птичьих базарах, в стадах копытных и скоплениях грызунов (Тимофеева и др., 1974; Blake et al., 1991 и др.). Поэтому по экологическим характеристикам предпочтение следует отдать суркам как колониальным животным, зимующим большими семейными группами. Широких целевых исследований инфекционных проявлений псевдотуберкулеза в популяциях сурков не проводили. Нам не известны также работы по выявлению возбудителя этой инфекции в экскрементах сурков или в содержимом «уборных» в зимовочных норах. Тем не менее, сурки, как и другие грызуны, болеют псевдотуберкулезом, возбудителя неоднократно выделяли из их организма в Монголии (Шамова, 1959; Бибиков, 1989) и в горах Средней Азии (Лесняк, Алиев, 1976) при обследовании очагов чумы.

Ориентируясь на изложенные в общем виде принципы построения нашей гипотезы, перейдем к поиску и оценке экологических факторов происхождения и эволюции чумы и выяснению путей формирования современного ареала микроба с многообразием его внутривидовых форм.

Наши логические построения основаны на следующих, теперь уже трудно оспоримых утверждениях и фактах:

1) элементарная единица эволюционного процесса при становлении чумного микроба — это локальная популяция (клон) псевдотуберкулезного микроба (это положение однозначно выразил Э. Майр (1968): «... именно локальная популяция — ключ к решению всех проблем эволюции»);

2) анцестральной формой возбудителя чумы является микроб псевдотуберкулеза O:1b серотипа (Skurnik et al., 2000);

3) 1-й (O:1b) серотип псевдотуберкулезного микроба доминирует в североазиатских и дальневосточных районах с суровым климатом, согласно Х.Фукушима с соавт. (Fukushima et al., 1998, 2001)  — к востоку от Москвы;

4) дивергенция микробов псевдотуберкулеза O:1b серотипа и чумы произошла ориентировочно 20–1,5 тыс. лет назад (Achtman et al., 1999);

5) за весь четвертичный период глубокое промерзание грунта (до 2 м) в Центральной Азии отмечалось только в сартанское время позднего плейстоцена и в голоцене, то есть не ранее 22 тыс. лет назад (Owen et al., 1998).

Таким образом, нам следует выяснить, в какие особые условия в относительно недавнем прошлом, ориентировочно 20–1,5 тыс. лет назад, попала локальная популяция (клон) псевдотуберкулезного микроба 1-го (O:1b) серотипа, имевшая, вероятно, отношение к суркам, которая в каком-то определенном холодном районе Азии дала новую филогенетическую ветвь — микроба чумы.

Необходимым условием возникновения, закрепления и дальнейшего совершенствования патогенности, как приспособительного признака в выгодном для паразитического микроба направлении, является возможность повторения взаимодействия с макроорганизмом, возможность осуществления регулярной передачи возбудителя здоровому организму, которая может быть реализованной только при его вовлечении в сферу каких-то устойчивых экологических связей с хозяином (Бургасов, Румянцев, 1974). Становление чумного микроба из псевдотуберкулезного септическим путем (Ралль, 1958; Кучерук, 1965; Achtman et al., 1999), то есть эволюционное внедрение микроба в кровеносную систему хозяина через преодоление барьеров слизистых пищеварительного тракта, вызывает неоспоримое возражение. В этом случае трудно обосновать филогенетическую молодость микроба чумы и объяснить уникальное сходство геномов чумного и псевдотуберкулезного микробов. Невозможно представить, какие физиологические или иные изменения в организме хозяина позволили микробу внедриться в его кровь в недавнем прошлом. К тому же трудно объяснить, почему из широкого круга кишечных бактерий именно микроб псевдотуберкулеза O:1b серотипа стал предковым для микроба чумы. Сепсис могут вызывать также возбудители брюшного тифа, паратифов, дизентерии, сальмонеллеза, пищевых токсикоинфекций (стрептококковых, стафилококковых и других) (Шувалова, 1995), но ни у одного из этих возбудителей нет родственных форм среди облигатных паразитов крови, они не смогли стать кровепаразитами, эволюционно преодолев интестинальный барьер. К тому же, в этом случае надо будет объяснить принципы эволюционного становления чумного микроба в «нездоровых», а поэтому неконкурентоспособных, элиминируемых популяциях (или их частях) хозяина и переносчика (Сулейменов, 2004).

Как мы упоминали выше, синтез инвазина — фермента, обеспечивающего начальные стадии псевдотуберкулезной инфекции, активно проходит примерно при 4^оС и ингибируется при 37^оС (Дробков и др., 1997). Отсюда, наиболее приемлемым остается допущение, что эволюционный путь чумы начинался от сапрофитической фазы возбудителя псевдотуберкулеза из почвенной органики минуя интестинальный барьер — через раны, как у клостридиозов, таких, к примеру, как столбняк или газовая гангрена (Бургасов, Румянцев. 1974), и при низких температурах.

Основная внегостальная среда возбудителя псевдотуберкулеза — почвенная органика, включая выделения животных (моча, экскременты). Поэтому нам надо выяснить возможности установления прочных устойчивых контактов неживой органики с кровью теплокровных животных, обеспечивших превращение возбудителя сапрозооноза в кровепаразита. В каких случаях граница между двумя средами — почвенной органикой или экскрементами и кровью (в нашем предположении сурков) бывает условной, нечеткой, размытой, стохастической, соответствующей понятию промежуточной среды с континуумом температур в пределах примерно 5–37^оС? Как может осуществляться длительный, устойчивый контакт почвы (экскрементов) с кровью сурков? Почему этот контакт, возник относительно недавно, в согласии с «молекулярными часами» М.Ахтмана ориентировочно 20–1,5 тыс. лет назад? Выяснение этих вопросов — в основном палеоэкологическая задача или экологическая, в случае недавних в прошлом или современных событий. Ее решение оказалось реальным на основе фактов, полученных нами при изучении особенностей видоспецифичного поведения монгольского сурка-тарбагана и специфической блохи евразийских сурковO.silantiewi, сформировавшегося под воздействием тривиальных физико-географических факторов среды их обитания в Центральной Азии — температуры и влажности почво-грунтов.